DE1703528A1

DE1703528A1 - Vorrichtung zum Pumpen oder Verdichten

Info

Publication number: DE1703528A1
Application number: DE19681703528
Authority: DE
Inventors: Jean Hasquenoph; Marc Pouliquin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1967-06-07
Filing date: 1968-06-06
Publication date: 1971-11-18
Also published as: DE1703528B2; FR1580807A; DE1703528C3; DE1997329U; NL6807922A; ES354776A1; GB1227009A; CH524767A; NL159477B; US3514221A; BE716154A; SE350307B

Description

Vorrichtung zum Pumpen oder Verdichten

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Pumpen oder Verdichten, die auch als Motor betrieben v/erden kann, d.h. auf Einrichtungen, die dazu bestimmt sind, ein Medium von einer Singangsleitung zu einer Ausgangsleitung zu überführen, nachdem nan gegebenenfalls den Druck verändert hat oder eine derartige Förderung durchzuführen, um ein Drehmoment an einer Welle zu erzeugen.

Aus dem franz. Patent 1 494 95"'¹ ist eine Pumpe bekannt, die aus folgenden Teilen besteht:

einem festen Gehäuse mit einer Wand, die innen durch eine kugelkranzartig ausgebildete Fläche begrenzt wird und das im Inneren dieser Wand eine kegelstumpfförmige Eingflache hat, die im Mittelpunkt des Kugelkranzes zentriert ist und auf der gleichen Achse liegt wie dieser,

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einer Habe, die in den Gehäuse so oefcstigc isü, da- sie eich um die erwähnte Achse Irenen kann und die ilü; einer antriebswelle oder einer Antriebswelle venvundsn isij,

•eine:;; bev:eglichen feil, das au aer riao; so befestig-·; i-.t, daß es sich id Verhältnis zu dieser un eine Ackss drehen kann, die die Achse der Habe in ^'.:: I-iijjelsunziö sehne ids· V₅ wobei das Teil eine kegelstumpffsrnige fläche hat, die auf den Kittelpunkt zentriert ist und die sich auf aer kegelstumpff örnigen fläche des Jehäuses. abwälzen kann, ε-α der sie ^X:O an einem geraden Abschnitt; anliegt,

einem Seil, das mit einer der beiden kegelstumpfsrmigen flächen verbunden ist und nach außen zu durch eine Oberfläche begrenzt wird, die die Forir. eines Kugelkranzes hat, der in dem erwähnten Mittelpunkt zentriert ist und die dicht längs des Kreises angeordnet ist, der¹ die andere kegelstumpfförnige jMäche innen begrenzt,

einer 2rennwand, die sich in einer axialen Loene zwischen zwei Abschnitten radial in bezug auf die beiden IZugelkränze so erstreckt, daß die beiden Kammern dauernd voneinander getrennt sind, die auf beiden Seiten der Trennwand gleichzeitig zwischen den erwähnten Abschnitten und zwischen den Abschnitten der benachbarten kegelstumpfförmigen Flächen angeordnet sind,

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BAO

einem Schlitz, der in v/enigstens einer der beiden kegelstumpf fcrraigen l^liiciien angebracht ist, ur. in axialer Richtung den Durchgang ^u der Trennv:and freizugeben»

einer ZufiQiruiiGslti-uung und einer AuscritTsleitung, die in den '■} beiden oben erwähnten Kairoern auf beiden Seiοen der Trennv;and aünden,

Einrichtungen, um zu verhindern, IaI: eich das bewegliche Teil ä um seine Achse dreno, vjid eine;i Balg, der einen Tragring des gehäuses und einen Tragring dec beweglichen Teils dicht veriObindet, der vorzugsweise irri Inneren des inneren Kugelkranzes angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den ilatzoedari einer derartigen Vorrichtung :nit mehreren Stufen zu verringern, bei der das gepumpte (oder verdichtete) Medium (oder der Motor) "■5 vollständig isoliert bleibt von den Rollenlagern und anderen Teilen, die einer Schmierung und der Atmosphäre ausgesetzt sind.

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung obiger Art aus und besteht darin, daß sie Zylinder mit zu der Achse der Nabe parallelen Achsen, die in dem Abschnitt des festen Gehäuses angeordnet sind, der in bezug auf das bewegliche Teil auf der entgegengesetzten Seite des Abschnittes mit der kegelstumpf-

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förmigen Fläche liegt. Kolben, die sich in den Zylindern verschieben können und Stangen enthält, die die Kolben mit dem beweglichen Teil verbinden und daß Einrichtungen vorgesehen sind, die den Ausgang (oder Eingang) der ersten Stufe mit wenigstens einem der Zylinder verbinden.

Die Erfindung sieht ferner vor, daß die Verbindung zwischen den ™ Kolbenstangen und dem "beweglichen Teil und/oder den Kolbenstangen and den Kolben, vorzugsweise durch Kugelgelenke erfolgt, die durch Abdichtungsbälge geschützt sind, wobei die vorzugsweise metallischen Bälge an ihren Enden an die Kolbenstange, das bewegliche Heil und/oder den Kolben angeschweißt sind.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Verdichter gemäß der Linie I - I der Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Linie II - II der Fig. 1 und die

Fig. 3 und 4 Teile der Vorrichtung in vergrößerter Darstellung.

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Die erste Stufe des Verdichters entspricht der der Pumpe gemäß dem oben erwähnten franz. Patent; sie besteht aus einem Gehäuse 1, in dem das zu komprimierende Medium über eine Leitung 2 zu und über eine Leitung 3 abgeführt wird, wobei die Förderung mittels eines beweglichen Teils 4 erfolgt, das mit einer Antriebswelle 5 verbunden ist.

Das Gehäuse besteht aus einer Wandung, die innen durch eine kugelartig ausgebildete Fläche 7 mit dem Mittelpunkt O und der Achse AB begrenzt ist und 'die sich symmetrisch zu beiden Seiten einer diametralen Ebene erstreckt, sowie einem innerhalb der Fläche 7 angeordneten Teil mit einer auf einem Kegelstumpf mit der Achse AB liegenden Fläche 9, die auf Punkt 0 zentriert ist.

In dem Gehäuse 1 ist eine Nabe 10, die fest mit der Welle 5 verbunden ist, mittels Rollenlagern 11 befestigt₉ so daß sie sich um ihre Achse, die mit der Achse AB zusammenfällt, drehen kann.

Das bewegliche Teil 4 besteht aus einer Hülse 4^, die mittels Hollenlagern 12 an einer abgeknickten Verlängerung 10^ der Na be 10 befestigt ist und sich um die Achse GD drehen kann, die geneigt zur Achse AB verläuft und diese im Punkt 0 schneidet, einer kegelstumpfförmigen Fläche 13 mit einer Achse GD₁ die auf den Puakt 0 zentriert ist und die mit der Fläche 9 entlang einem Abscjinitt s in Berührung kommen kann sowie einer außen

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durch, eine Fläche ^ Degrenzten Wandung in F or ti ^ ins:: jei O zentrierten kugelartigen Abschnittes nit der Achse CD, die sich dicht in bezug auf den inneren Hand der Fläche 9 verschieben kann.

Sine feste Trennwand 16 erstreckt sich in einer axialer. ±ü:o-

ne zv/isxchen zwei Abschnitten der beiden Flächen 7 und ^ um ψ durchquert eine öffnung Ί?» die in dein Teil M- ausgespart ist,

Der ringförmige Arbeitsraum, der durch die beiden kugelartigen Flächen 7 und 15 und die beiden konischen Flächen 9 und ' 3 begrenzt wird, ist durch die Scheidev/and 15 und durch die Verbindung der beiden konischen Flächen 9 und 13 entlang den Segment s in zwei Kammern unterteilt.

Die beiden Leitungen 2 und 3 münden in diese Kammern auf . beiden Seiten der Scheidewand 16.

Ein dichter und biegsamer Balg 20, insbesondere aus Metall, verbindet dicht einen Haltering 22 des Gehäuses 1, der um die Nabe 10 angeordnet ist und einen Haltering 21 des Teils 4, der innerhalb der Fläche I5 sitzt. Dieser Dichtungsbalg ist ausreichend drehfest, um die Drehungen des Teils 4 allein zu verhindern.

Auf Eig. 1 sind ferner ringförmige Dichtungen oder Segmente

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29 und 30 dargestellt, die die Abdichtung zwischen den kugelartigen Flächen 7 und 15 und den Flächen, mit denen sie zusammenwirken, sicherzustellen j ferner sind dargestellt dynamische Auswuchtmassen 31» 32 der Anordnung Drehwelle 5 - Nabe 10, sowie ein Antriebsmotor, dessen Stator 33 in dem Gehäuse 1 befestigt ist und dessen Rotor 34- fest an der Welle 5 angebracht ist.

An die erste Stufe ist gemäß der Erfindung wenigstens eine zweite Stufe angehängt, um die Taumelbewegung des Teils 4-auszunutzen, an dem die Steuerstamgen 35 der Kolben 36 angebracht sind, die in den Zylindern 37 gleiten, deren Achsen parallel zu der der Welle 5 verlaufen.

Die 'Anbringung erfolgt so, daß die Wände der Arbeitskammer» der ersten Stufe nicht durchbohrt werden; mit anderen Worten,

15· die Zylinder 36 werden in dem Abschnitt des Gehäuses 1 angeordnet, der axial im Verhältnis zu dem beweglichen Teil 4- f auf der Seite liegt, die der entgegengesetzt ist, auf der sich dor Arbeltsraum befindet. Die Stangen 35» die abwechselnd auf Zug und auf Druck arbeiten, müssen in Längsrichtung unde formierbar sein. Jede Stange ist mit dem Teil 4 und einem der Kolben 36 verbunden, um mit einem minimalen Widerstand die konischen Verschiebungen, (ohxne Drehung) dieses Teils in hin- und hergehondiB Längsverschiebungen des Kolbens umzuwandeln.

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Darüber hinaus ist es im allgemeinen ratsam, jeden Kontakt zwischen dem gepumpten Medium und den Verbindungselementen zu verhindern, vor allem wenn diese aus Teilen bestehen, die bei der Relativbewegung gegebenenfalls unter Einfügen eines Schmiermittels zusammenwirkenο

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jede Stange 35 starr mit dem entsprechenden Kolben 36 und mittels eines Kugelgelenkes mit dem Teil 4 verbunden« Zu diesem Zweck sind die Enden der Stangen an der Seite des Teils 4 mit einer Kugel 36 versehen (Figo 4), die in einen Sitz 46 eingeschlossen ist, der fest mit dem Teil 4 verbunden ist, wobei die Anordnung Kugel - Rahmen selbst durch einen Dichtungsbalg 39 geschützt wird, dessen beide Enden direkt auf die Stange und das Teil 4 geschweißt sein können. Die Schmierung des Kugelgelenkes erfolgt durch Einbringen von Schmiermittel in den Sitz 46. Bei einer deraritigen Ausführungsform genügt es, um die leichten Schwingungen des Kolbens 36 (und der Stange 35» die daran befestigt ist), während der Taumelbewegung des Teils 4 zu ermöglichen, lediglich zwischen dem Kolben und .dein Zylinder 37» in dem dieser gleitet, ein Dichtungselement von geringer axialer Abmessung vorzusehen, wobei das Element auch eine Art Lager für die Schwingungsbewegungen bildet.

An den Enden der Stangen könnte auoh eine Rollenverbindung vorgesehen sein.

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BAD OWQINAL

Die beiden Bälge 20 und 39 unterliegen nur leichten kegelförmigen Biegebeanspruchungen der Art, daß im Verhältnis zu einer der als fest angesehenen Endflächen, die andere Endfläche nur Biegungen entsprechend einer kegelförmigen Drehbewegung seiner Achse um die Achse der festen Fläche unter Ausschluß aller anderen Druck-Ausdehnungs- oder Tor- g sionsdeformationen unterworfen ist. Auch die Bälge können ohne Schwierigkeit eine lange Lebensdauer haben.

Für die praktische Ausführung werden sie vorteilhafterweise aus einer Folie aus nicht oxydierbarem Stahl hergestellt, deren Stärke zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt; die Herstellung des Balges aus der Folie er- folgt in der Weise, daß man sie zu einem Rohr rollt, die Kanten aneinanderschweißt und dann, das Bohr hydraulisch zu einem Balg verformt.

Der mittlere Durchmesser des Balges beträgt im all** gemeinen 5 bis 20 cm, die radiale Abmessung Jeder Welle ein Viertel des Eadius und seine axiale Abmessung etwa ein Achtel des Eadius, wobei jede Welle annähernd die Form eines S hat, das aus Halbkreiaexa. besteht, die durch rechtwinklige parallel·

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Stücke verbunden sind.

Statt zweier Dichtungen für jede Stange, wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, kann man auch eine einzige Dichtung für jede Stange benutzen, die diese dann ganz umgibt und deren beide ifinden dicht, vorzugsweise durch Schweißen einerseits mit dem Teil 4 und andererseits mit dem entsprechenden Kolben verbunden sind. Eine derartige Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die Gtangen kurz sind. In einem solchen Fall ist es zweckmäßig, die mittlere Zone des Balges nicht zu falten, sondern aus einem festen Rohr herzustellen, das mit zwei gefalteten Stümpfen verbunden ist.

Wie bei den bekannten klassischen Verdichtern werden die aktiven Räume des Zylinders 57 durch Saugventile 48 und Austritteventile 49 verbunden, die automatisch durch die Hin- und Herbewegung der Kolben betätigt werden und so angeordnet sind, daß das in einem Raum angesaugte Medium dann aus dem Verdichter nach außen oder in eine andere kleinere Kammer zur weiteren Verdichtung gedrückt wird. Diese letztgenannte Aueführungeform, wird bei dem auf der Zeichnung dargestellten Verdichter benutzt.

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«*.,·} Q fr» BAD

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Bei diesem enthält das Gehäuse 1 fünf Zylinder 37* die regelmäßig um die Welle 5 verteilt sind. Das komprimierte Gas, das bei 3 aus der ersten Stufe austritt (Fig. 3), wird (vergl. die Pfeile 40 auf den Figuren 1 und 2) in zwei der Zylinder 37 über die Ventile 41 eingelassen, die in dem Kolben 36 vorgesehen sind. Dann wird das in den beiden Zylindern komprimierte Gas (vergl. die pfeile 42) in einen . dritten einzigen Zylinder mit gleichem Durchmesser ^w^^e die beiden vorhergehenden ausgestoßen und von dort nach und nach in einen vierten. Zylinder mit kleinerem Durchmesser (vergl. die Pfeile 43) und einen fünften Zylinder mit einem noch kleineren Durchmesser (vergl. die Pfeile 44) gedruckt, von wo es stark komprimiert bei 43 ausgelassen wird.

Das bei 2 angesaugte Gas unterliegt nacheinander vor seinem Austritt aus dem Verdichter bei 45 fünf Kompressionen:

Die erst· Kompression wird in der ersten Stuf· durch 41s Bewegung des Teils 4 vorgenommen, genau wie b«i

dta aus dem französischen Patent bekannten Verdien ter. Das leicht komprimierte Gas aus der ersten Kom pressionsstufe gelangt in die Kammer ζwisahen dsa be weglichen Teil 4 und den Kolben 36 und wird von dort

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nach.einander in die vier anderen Stufen des Verdichters gesaugt, die durch die. beiden ersten Zy-.linder, den dritten, den vierten und den fünften Zylinder (wie bei einem bekannten klassischen Verdichter) gebildet werden.

Es ist festzustellen, daß diese fünffache Kompression mit einer Maschine erhalten wird, deren Gesamtplatzbedarf sehr gering ist. Die übliche regenschirmartige Form der ersten Stufe ist sehr harmonisch vervollständigt durch die glockenartige Form der folgendeo&tufen und durch die Anordnung des Motors im Mittelpunkt dieser Glocke.

Wegen des Balges 20 und eventuell der Bälge 39 bleibt das komprimierte Gas vollständig getrennt von den Kammern, die die verschiedenen Rollenlager, Pettdepots, Gleitstücke und'elektrischen Teile enthalten, was sehr wichtig ist, insbesondere, wenn da· Gas giftig, insbesondere radioaktiv ist und/oder wenn es komprimiert wird.

Die* Erfindung ist auf das dargestellte Aueführungebeispiel· nicht beschränkt, sondern kann in folgender Weise abgewandelt werden:

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Die Kolbenverdichtung kann in einer einzigen Stufe oder einer von vier verschiedenen Anzahl von Stufen erfolgen. Der Kolbenverdichter kajin auch die erste Stufe (oder die ersten Stufen) eines Verdichters bilden, dessen letzte Stufe die bisherige erste Stufe ist. Die Maschine kann als Pumpe und nicht als" Verdichter arbeiten; die Verlängerung 10,. der Nabe 10 und die Hülse 4^ des beweglichen Teils können ersetzt werden, und zwar die Verlängerung durch ein Lager, das in der Nabe ausgespart ist und die Hülse durch einen Zapfen, der sich in diesem Lager dreht;

die Verhinderung der Drehbewegung des beweglichen Teils 4 könnte durch andere Einrichtungen als den Balg 20 erfolgen, beispielsweise durch Zusamnenwlr- ken τοη kegelförmigen Zahnkränzen, die an den Gehäuse und dem Teil 4 befestigt sind; (

die Verbindung zwischen der ersten Stufe und den Stufen mit den Zylindern kann auch durch ein· Lei» tung erfolgen, die In dem Gehäuse angebracht ist und dl« über ein geeignetes Ventil in der aktiven eines der Zylinder mündet.

Patentansprüche 109**7/0407

Claims

Patentansprüche

^V. Vorrichtung zum Pumpen oder Verdichten, die auch als Motor betrieben werden kann und aus folgenden Teilen besteht:

einem festen Gehäuse mit einer Wand, die innen durch eine kugelkranzartig ausgebildete Fleche begrenzt wird und das im Inneren dieser Wand eine kegelstumpf förmige Fläche hat, die im Mittelpunkt des Kugelkranzes zentriert ist und auf der gleichen Achse liegt wie dieser,

einer Nabe, die in dem Gehäuse eo befestigt ist, daß sie sich um die erwähnte Achse drehen kann und die Kit einer Antriebewelle oder mit einer Abtriebswel- .Ie verbunden ist, ·

einem beweglichen Teil, das. an der Nabe so befestigt ist, daß ee eioh la Yerhältni· zu dieser um ein« Achse drehen kann, die die Achse der Nabe in des Mittelpunkt schneidet, wobei das Teil eine kegel» stumpfförmige fläche hat, die auf dem Mittelpunkt zentriert ist/die sich auf der kegelstumpfförmigen

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Fläche des Gehäuses abwälzen kann, an der sie an einem geraden Abschnitt anliegt,

einem Teil, das mit einem der beiden kegelstumpfförmigen Flächen verbunden ist und nach außen zu durch eine Oberfläche begrenzt wird, die die Form eines Kugelkranzes hat, der in dem erwähnten Mittelpunkt zentriert let und die dicht längs des Kreises angeordnet ist, der die andere kegelstumpfförmige Fläche innen begrenzt,

einer Trennwand, die sich in einer axialen Ebene zwischen zwei Abschnitten radial in bezug auf die beiden Kugelkränze so erstreckt, daß die beiden Kam. mern dauernd voneinander getrennt sind, die auf bei den Seiten der Trennwand gleichzeitig zwischen den erwähnten Abschnitten und zwischen den Abschnitten der benachbarten kegelstumpfförmigen Flächen angeordnet sind,

einem Sohlits, der in wenigstens einer der beiden kegelstumpfförmigen Flächen angebracht ist, um in axisler Sichtung den Durchgang zu der Trennwand freizugeben,

einer Zuführungsleitung und einer Austritt »leitung« 1OW47/O407

die in den beiden oben erwähnten Kammern auf beiden Seiten der Trennwand münden,

Einrichtungen um zu verhindern, daß sich das bewegliche Teil um seine Achse dreht, und

einem Balg, der einen Tragring des Gehäuses und einen Tragring des beweglichen Teils dicht verbindet, der vorzugsweise im Inneren des inneren Kugelkranzes angeordnet ist (erste Stufe), dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung Zylinder (37) mit zu der Achse der Habe (10) parallelen Achsen, die in dem Abschnitt des festen Gehäuses (1) angeordnet sind, der in bezug auf das bewegliche Teil (4) auf der entgegengesetzten Seite des Abschnittes der kegelstumpfförmigen Fläche (9) liegt, Kolben (36), die sich in den Zylindern verschieden können und Stangen (35) enthält, die die Kolben mit dem beweglichen Teil (4) verbinden und daß Einrichtungen vorgesehen sind, die den Ausgang (oder Eingang) der ersten Stufe mit wenigstens einem der Zylinder ver-■ binden.
2. Torrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekannte! cb~

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net, daß die Einrichtungen zum Verbinden der ersten Stufe mit den Zylindern aus einer Öffnung (17) in dem "beweglichen Teil (4) in der Nähe der Trennwand (16) und aus einem Ventil (4-1) bestehen, das in dem zu dein Zylinder gehörenden Kolben (36) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach den Ansprächen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen jeder Stange (35) und dem beweglichen Teil (4) (und/oder der Stange und dem zugehörigen Kolben) durch ein Kugelgelenk erfolgt, das aus einer fest mit der Stange verbundenen Kugel (38) und einem fest mit dem beweglichen Teil (4) (oder dem Kolben) verbundenen Sit* (46) besteht und daß durch einen vorzugsweise metalliechen Dichtungsbalg (39) geschützt ist.

4· Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet * daß di· Stangen fest an den Bugehörigen Kolben angebracht und mittels «in·· Kugelgelenkes mit d·» beweglichen Teil verbunden sind, wobei die leichten Schwingungeb«w*gungeη des Kolbens durch Einlegen eines Dichtungesegmentes mit geringen axialen Abmessungen »wischen*Kolben und Zylinder ermöglicht werden.

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5· Als Gasverdichter arbeitende Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Zylinder (37) und die Verbindungea (42, 4-3 und 44) zwischen diesen so ausgebildet sind, daß die Zylinder nacheinander verschiedene Verdichtungsstufen bilden,, in der tfeise, daß das aue der ersten Stufe kommende Gas nacneinander in Kanunern mit immer kleinerem Volumen überführt wird.

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