DE1918509A1

DE1918509A1 - Vorrichtung zum Regeln von Kolbenverdichtern durch Offenhalten der Saugventile

Info

Publication number: DE1918509A1
Application number: DE19691918509
Authority: DE
Inventors: Constantino Vinciguerra Dr
Original assignee: Nuovo Pignone SpA
Current assignee: Nuovo Pignone SpA
Priority date: 1968-04-12
Filing date: 1969-04-11
Publication date: 1969-10-30
Also published as: CA918120A; BE731298A; LU58412A1; DE6914590U; FR2006147A1; FR2006147B1; DK132670B; NL6905688A; ES366265A1; AT295725B; DK132670C; SE354506B; CH487340A

Description

DIPt. INQ. DIETRICH EEWALD

Case 248 / Coma. 707.067 /

8 MÜNCHEN 13

DEJi

HUOVO PIGNONE S.p.A., Florenz / ITALIEN

"Vorrichtung zum Regeln von Kolbenverdichtern durch Offenhalten der Saugventile"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kontinuierlichen und geregelten Steuerung der Strömung in dem Zylinder eines Kolbenverdichters, in dem ein feil der angesaugten Strömung durch das Einlaßventil zurückströmen gelassen wird, wobei ,diese insbesondere für Hochdruckkolbenverdichter geeignet sein soll.

Bekanntlich öffnet, nachdem der Verdichterkolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat und nach einer weiteren Verzögerung entsprechend einer Winkelverschiebung ob dee Kurbelzapfen der Verdichterkurbelwelle - wobei diese Verschiebung von Prozess der Bückexpanaion des in den schädlichen Räumen des Zylinders eurück belassenen Gases auf Ansaugdruck abhängt - das Einlaßventil; das Gas wird in den Zylinder über den gesamten Zeitraun angesaugt, damit der Verdichterkolben seinen unteren Totpunkt er- . reicht, d.h. über den Zeitraum entsprechend der Winkelverscniebung (180° - Ck) des Verdichterkurbelzapfens. Sobald der Kolben seinen unteren Totpunkt erreioht, schließt das Ansaugventil unter der Wirkung seiner Rückstellfeder und in der sich an-

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schließenden zeitlichen Periode entsprechend einer 180° Winkel·*· verschiebung des Kurbelzapfens wird das Gas komprimiert und aus dem Zylinder durch das lieferseitige Ventil ausgetrieben. ;

TJm die in den Verdichterzylinder eingesaugte Gasmenge verändern zu können, wird es notwendig, dafür zu sorgen, daß das Kompressoreinlaßventil über eine gewisse Zeitdauer offen bleibt, naohdem der Kolben bereits seinen unteren Totpunkt erreicht hat, um in der Kompressionsphase einen Rückstrom eines Teiles der vorher angesaugten Grase durch eben dieses Ansaugventil zu ermöglichen.

Auf dem Fachgebiet wird diese Schließverzögerung des Einlaßventils mit' folglicher Veränderung des Einlaßventils durch eine Betätigungsfeder erreicht, die eine Kraft P auf das Schließorgan des Einlaß- oder Ansaugventiles ausübt und dieses gegen die Wirkung der Schließkraft der Ventilrückstellfeder geöffnet hält. Das Schließen des Ventils erfolgt nur dann, wenn der zurückfließende, in die Einlaßleitung durch das geöffnete Ventil entweichende Gasstrom am Ventilschließorgan eine etrömungsdynamische Kraft größer als die Belastung F der Betätigungsfeder hervorruft.

Die gleiche Steuerung der Ansaugströmung wird erreicht, indem einfach die gleiche Belastung ¥ an der Betätigungefeder verändert, wiri! auf diese Weiss wird die länge der GasrückstroÄperiode modifizisrfe*

Diese Art der Steuerung teiap $Qü®&ix ©steMiefee Schwierigkeiten und Nachteile mit sich, ä£@ ass Li ■ ?qi^-jMimii; Qiner Feder ssur Erzeugung der Betätigungekraft 2?

Da es schwierig ist, während der Auslegung der Konpreeeorregeleinrichtung die durch das Gas auf dae Ventilschließorgan in

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gemiedenen SchlieBeteilungen wirkenden Kräfte eu bereohnen, fuhrt/su einer «ehr streifelhaften Dlmenslonierung der Feder «nt der Unmöglichkeit au wiesen» auch aufgrund τοη Schwingungen und Resonanzeracheinungen an der feder selbst, wie groß die Ströeungereminderung ist, die eich einem vorher festgelegten Wert der Federkraft F zuordnen läßt. Andererseits würde die Anwendung solch einer Strömungsregelvorittohtung auf Hochdruckkolbenverdichter bei den hohen Belastungen die Verwendung von Bet&tlgungsfedern mit beachtlichen Querschnitten und damit beachtlichen Gesamtabmessungen und Konstruktionsproblemen erforderlich ■aohen.

Irfindungsgemäß soll eine Torrichtung zum Steuern der Strömung in Kolbenkompressoren vorgeschlagen werden, die die obengenannten Hachteile vermeidet, indem das Ansaugventil während der Rttckflufiperlode mittels einer federfreien mechanischen Regelung offen gehalten wird, wodurch es möglich wird, in vorbestimmter und kontinuierlicher Weise die Länge der fiückstromstufe su verändern.

Sie Erfindung soll nun anhand der belllegenden Zeichnungen näher erläutert werden, sie ist jedoch auf die bevorzugte Ausführungsform nicht begrenzt.

Figur 1 seigt die Strömungsregelvorrichtung nach dem Stand der Technik.

Kralchtlich ruft die Belastungsfeder 1, die durch das Schieberelement 2 auf das Schließorgan des Ansaugventils 3 des Kompressors 4 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 5 die Kraft F ausübt; die das Ventil geöffnet hält, wodurch der Gasstrom 6 durch das Ventil in die Ansaugleitung 7 entweicht, am Sohließorgan 3 aioht die strömungsdynamische Kraft hervor, Sie in der Lage ist, Sie Kraft F der Belastungsfeder 1 su überwinden.

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der Kurbelwelle 11 des Kompressors verbunden und auf &i@s@ ist ein Senneckenrad 25 aufgekellt ₉ welches In ein ähnliches® auf die zweite Welle 27 aufgekeiltes Schneckenrad 26 greift. Mt diese Zwischenwelle ist auch ein weiteres Schneckenrad 28 älualieh dem Schneckenrad 26, jedoch mit entgegengesetztem S©te&»«* bensinn aufgekeilt, welches In ein ähnliches Schneckenrad 29 greift, das auf die dritte Welle 30 aufgekellt 1st, auf Ale die Antriebsnocke 10 aufgekeilt ist.

Aufgrund dieses Systems dreht die Nocke 10 sich synchron mit &@r Kurbelwelle 11 des Kompressors 4* Bine Drehung iß Gegenuhrzeigersinn der Kurbelwelle 11 und damit der Welle 23 führt au eine? ähnlichen Drehung in entgegengesetzter Rlohtung der Welle 27 und damit BU einer Drehung der Welle 3O₉ welche ähnlich sowohl Masichtlich Größe wie hinsichtlich Wert der der Welle 11 ist.

Die beiden Wellen 23 und 30 sind weiterhin in Axlalrichtung mittels geeigneter Drucklager festgelegt, wogegen die Welle 27 mit den Schneckenrädern mit gegenläufigen Spiralen axial rersehlob* bar - selbst während des Kompreseorbetriebsleufs - ausgebildet ist, und zwar mittels eines axialen Poeitionieruag®®!®- mentes (in der Jigur nlcht-dargestellt), welches ron Hand oder hydraulisch auf das außen gelegene (linke) 2nd« der Welle 27 wirkt.

Das Aufier-Phase-Bringen der Rocke 10 gegenüber der Kurbelwelle des Kompressors 4 erfolgt, indem die Welle 27 axial verschoben ist. Es soll nun angenommen werden, daß jede Drehung der !felle 23 verhindert werden und die Welle 27 axial um die Länge £ verschoben werden soll, d.h. in einer Richtung entgegengesetzt zu der des Kompressors. Hierdurch wird eine Drehung um ^grad der Welle 27 in einer Richtung entgegengesetzt zu der (angenommen ist Drehung im Gegenuhrzeigersinn) der Kurbelwelle 11 des

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Kompressors hervorgerufen, wobei diese Drehung durch die schraubenförmige Kupplung der Zahnräder 25 und 26 hervorgerufen wird, die die Bewegung zwischen den beiden Wellen 23 und 27 übertragen, Eine ähnliche Drehung, jedoch in entgegengesetzter Richtung wird natürlich durch die Welle 30, die die Welle 27 erfaßt, vorgenommen. Weiterhin zwingt die Verschiebung £ der Welle 27 die Welle 30, sich weiter um ^T grad aufgrund der Schraubkupplung zwischen den Zahnrädern 28 und 29 zu drehen; insgesamt dreht die Welle sich also um zwei ^T grad in der üblichen Drehrichtung der Kurbelwelle 11 des Kompressors 4.

Dies zeigt, daß mittels der Axialverschiebung der Welle 27 es möglich wird, nach Wunsch die auf die Welle 30 aufgekeilte BiOkke 10 gegenüber der Nockenwelle 11 des Kompressors 4 außer Phase zu bringen und, da das Positionierungselement kontinuierliche und völlig geregelte Axialverschiebungen der Welle 27 ermöglicht, wird es klar, daß es möglich wird, ein kontinuierliches und völlig geregeltes Außer-Phase-Kommen zwischen Kompressorwelle und Antriebsnocke zu erhalten.

Die dargestellte Einrichtung kann sogar verwendet werden, um gleichzeitig die Strömungsmenge zu regeln, die von mehreren Zylindern ein und desgleichen Kompressors angesaugt wird.

Es genügt für diesen Zweck, auf die Welle 30 so viele Antriebsnocken aufzukeilen, wie Zylinder vorhanden sind·

Für den Pail zweier durch sich gegenüberliegende Kurbelwellen betätigter Verdichtungszylinder ist eine einzige Antriebsnocke in der Lage, die Strömung mittels zwei ähnlicher hydraulischer Regelungen entgegengesetzt zu eben dieser Hocke zu regeln.

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Die Minderungen in der Strömung, die äureb legela des? elemente der Ansaugventile der verschiedenen £omp? mit einer einzigen Nooke 50 erhalten werden« siad prozentual einander natürlich gleich.

Für einen zweistufigen Kompressor wird es möglich, wenn man »wischen die die Strömung des Kompressorzylinders der ersten Stufe regelnde Nockenwelle und die die Strömung der Kompressorzylinder der zweiten Stufe regelnde Nockenwelle eine weitere Vorrichtung zum Außer-Phase-Bringen ähnlich der oben angegebenen zwischenschaltet, unterschiedliche Phasenverschiebungen der beiden Nockenwellen zu erhalten, d.h. unterschiedliche Strömungsänderungen für die beiden Phasen zu erhalten und damit den Druck zwischen den beiden Kompressionsphasen zu verändern.

Pigur 4 gibt schematisch eine Verwirklichungsform für einen Kompressor mit einem Zylinder für die erste Stufe und einem Zylinder für die zweite Stufe.

Die Noeke 10, die das Schieberelement des Ansaugventils des Kompressorzylinders der ersten Stufe des Kompressors 4 regelt, wird bezüglich der Kurbelwelle 11 der beiden Verdichterzylinder außer Phase gebracht, indem die Welle 27 der Vorrichtung zum Außer-Phase-Bringen axial verschoben wurde. Die das Sohleberelement des Ansaugventils des Verdichterzylinders der zweiten Phase des Kompressors 4* regelnde Nocke TO wird dagegen bezüglich der Kurbelwelle 11 außer Phase gebracht, unabhängig von dem Außer-Phase-Kommen der ersten Nocke, indem axial die Welle 27 einer zweiten Vorrichtung zum Außer-Phase-Bringen verschoben wird, welche ähnlich wie die erste ist und die durch das Schneckenrad 29 der ersten Vorrichtung zum Außer-itiase -Bringen betätigt wird.

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In dieser Figur wurden die gleichen Bezugszeichen wie vorher benutzt» die zur zweiten Verdichterstufe gehörenden SLemente sind mit einem Querstrich zusätzlich versehen worden·

Patentansprüche

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Veiter siebt man, daß ein Handrad 8 dazu da iet, den Wert äea? durch die Belastungsfeder 1 ausgeübten Kraft und damit die öasrückströmzeit und die durch den Zylinder des Kolbenverdichters angesaugte Menge zu variieren*

In den Figuren 2 bis 4 wird die Erfindung nunmehr erläutert. Figur 2 zeigt eine erfindungsgem&ße Strömungsrögeleinrichtung an Kolbenverdichtern;

Figur 3 zeigt den vom Kurbelzapfen des Kolbenverdichters beschriebenen Kreis» dem die Kontur der Antriebsnocke überlagert wurde, um das Winkelverhältnis zwischen Hocke und Hockenwell© Ib unterschiedlichen Steuer- bzw. Regelphasen anzugeben! und

Figur 4 zeigt eine Anordnung, nach der mit swei Vorrichtungen nach der Erfindung gearbeitet wird» um eine unabhängige Strömungsregelung in zwei aufeinanderfolgend®!! Kompressiom&phaseii mn realisieren«

Nach Figur 2 umfaßt die Regeleinrichtung nach der Erfladimg efe@afalls ein Schieberelement 2, das bei seiner Vorwärtsbewegueg entgegen der Wirkung der Rückstellfeder 9 auf das Schließorgaa des Ansaugventils 3 des Kompressors 4 wirkt und dieses Ventil trotz dessen Rückstellfeder 5 geöffnet hut. Das Vorschieben äes Schieberelementes 2 wird nicht durch ©ine Betätigungefeder» sondern durch eine Antriebsnocke 10 vorgenommen, dl® synchron mit der Kurbelwelle 1 des Kompressors 4 umläuft und auf dieses Schieberelement durch eine hydraulische Regelung wirkt.

Genauer gesagt, wirkt die Noeke 10 mit ihrer Kontur auf die Helle 12, die gelenkig am hydraulischen Zylinder 14 gelagert ist, welcher durch die Rohrleitung 15 die Bewegung des Schieherelemeates 2 entsprechend dem durch die Kontur eben dieser Nooke auferlegten Gesetz regelt.

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Diese Antriebsnocke 10 weist eine Kontur derart auf, daß ihr konstanter Wirkwinkel *f (figur 3) kleiner als der Winkel (180° - uf) entsprechend der Öffnung des Ansaugventile in Abhängigkeit Ton einer Regelung wirdL

Die Wirkung der Nooke auf das Seliiefoerelement 2 durch die hydraulische Regelung (in Figur 2 dargestellt) - gibt nur die zweckmäßigste Transmissionsausbildung an» In Sonderfällen jedoch kann diese Arbeitsweise völlig selbsttätig (ausgeführt dureh Stangen und Schwenkzapfen) ablaufen» In dieser Figur ist klar der Kurbelzapfen 16 der Welle 11 des Kolbenverdichters 4 dargestellt.

Die Rückstromzeitregelung und damit schließlich die Regelung der Saugströmung wird ausgeführt, indem in zweckmäßiger Weise während des Yerdichterlaufs die Winkelstellung der Hocke 10 "bezüglich der Kurbelwelle 11 des Kompressors auseer Phase gebracht wird.

Um dies zu verdeutlichen, soll auf die IPigur 3 hingewiesen werden, in der 1? den durch den Kurbelzapfen 16 beschriebenen Kreis angibt; 18 zeigt die vom Kurbelzapfen eingenommene Stellung, wenn der Yerdichterkolben sich im unteren Totpunkt befindet und somit das Ansaugventil 3 aufgrund seiner Rückstellfeder 5 schließtϊ 19 gibt die Stellung des Zapfens entsprechend dem oberen Toipunkt des Kolbens an und 20 zeigt die Stellung des um cb gegenüber der Stellung 19 verschobenen Zapfens ,. wobei entsprechend dem Gesagten eine öffnung des Ansaugventils aufgrund des durch den Kompressorkolben erzeugten Unterdrücke erfolgt. Es soll angenommen werden, daß die Nooke 10 bei Beginn eine Winkelstellung bezüglich der Kompressorwelle 11 derart aufweist, daß ihre Kontur wie durch die ausgezogene linie 10* in der Zeichnung dargestellt, positioniert wird.

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Hierbei öffnet das Einlaßventil 3 an der Stell© einer weiteren Drehung /5 des Kurbel&apf ene 11 tür der Nooke 10^f das Schieberelement 2 und verschiebt bis dessen Kopf in Berührung mit dem Schließorgan, des ten Ventils 3 gebracht wird. Das Schieberelement 2 behält diese Stellung über Y grad, abhängig von der Kontur eben dieaer Hoc&e (tatsächlich ist β +0 ^af der konstante Wirkwinkel der Fock©)| hernach ermöglicht die Nooke eine Rückstellung in die Ausgangaruhestellung, in die das Element durch die Rückstellfeder 9 und durch den Rückströmgasdruck geschoben wird. Ist daher der untere Totpunkt entsprechend dem Punkt 18 erreicht, da das Sehieberelement 2 sich zurückgezogen hat, kann die Rückstellfeder 5 das Ventil 3 schließen. D.h. in diesem EaIl wird das Ansaugventil 3 durch die Bewegung des Schieberelementes 2 nicht beeinflußt ι die angesaugte Menge ist die größtmögliche.

Es soll nun angenommen werden, daß die Winkelstellung der Hocke 10 um den Winkel ^f zum Voreilen gebracht wird, verglichen mit dem vorher diskutierten Fall, derart, daß die neue Stellung ihrer Kontur zur Welle 11 des Kompressors 4 entsprechend der gestrichelten Linie 10" in der Zeichnung wird.

In diesem Fall öffnet das Ventil 3 noch an der Stelle 20 und die Annäherung des Schieberelementes 2 an das Ventilschließorgan erfolgt nach einer unterschiedlichen weiteren Drehung fh^l des Kurbelzapfens.

Das Schieberelement 2 und das Ventil 3 stören einander also nicht.

Am unteren !Totpunkt jedoch - entsprechend dem Punkt 18 wenn das Ansaugventil 3 versucht, unter der Wirkung seiner Rückstellfeder 5 zu schließen, ist das Schieberelement 2 durch die

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Konturen der Hocke 10" noch nach vorne verschoben und muß daher offen bleiben.

Bas Schließorgan des Ventils 3 lehnt sich daher gegen das Schieberelement 2 an und wird auf seinen Sitz erst im Augenblick entsprechend der Stellung 21 · des Kurbelzapfens abhängig von der Kontur der Hocke 10" zurückgebracht·

Mit der Kompressionsphase wird aufgrund der Nockens teilung nun nicht beim Punkt 18 sondern an der Stelle 21 begonnen, der Kolbenarbeitehub C ist also .vermindert auf (0 -

Die angesaugte Strömungsmenge wird dann ebenfalls proportional vermindert (C^ - <Δθ).

Se zeigt siel also» daß durch Außer-Phaee-Brlugen der Antriebsnocke 10 gegenüber der Kurbelwelle 11 des Kompressors 4 es möglich wird„ den Sohließaugenbllok des Ansaugventils 3 und somit die Rtlckströmung und hierdurch wiederum die angesaugte Menge zu verändern.

Sine Vorrichtung» die dieses genaue und kontinuierliche Außer-Phase-Bringen der Antriebsnocke 10 bezüglich der Kompressorwelle selbst während des Kompressorbetriebs ermöglicht, ist in Figur 2 dargestellt.

Sie besteht aus einem Gehäuse 22, welches starr an die Seite dee Kolbenverdichters 4 auf der anderen Seite wie das Rad geschraubt ist, wobei an diesem mittels einer geeigneten Lagerung der Zylinder 14 der hydraulischen Regelung befestigt ist.

Innerhalb des Gehäuses 22 sind drei parallele Wellen vorgesehen, die durch die Stirnseiten des Gehäuses mittels Gleitlagern abgestützt sind. Die Welle 23 ist direkt durch die Flansche 24 mit

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Claims

Case 248

ii,J Torrichtung eur kontinuierlichen Regelung der durch Kolbenverdichter angeeeugten Strömungaaenge, unter Rüokströ-■ung durch das Aneaugrentil, insbesondere fttr Hoohdruekkoepi eoren, alt eines Schieberelement, welches durch eine auf du Koaipressoraneaugrentil wirkende Fede.r betätigbar ist» und alt Einrichtungen sun Antreiben dieses Sohieberelementes und Bin-* richtungen sun kontinuierlichen und geregelten Außer-Fhase-Bringen gegenüber der Kurbelwelle des Kompressors, dadurch ge-

kennseiohnet, daß die Einrichtungen sum Antreiben des Schieber* elenentes (2) aus einer auf eine Welle (30) gekeilten Antriebs« nooke (10) bestehen, wobei die Nooke (10) auf den Kolben (13) eines hydraulisch eben dieses Schieberei β« ent (2) betätigenden Zylinders (14) wirkt.

2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet_t daß die Antriebsnocke (10) eine Kontur mit eine* Arbeitsbogensttick kleiner als dem durch den Kurbelzapfen (16) entsprechend der Öffnungezeit des Ansaugventile ( 3) in Abwesenheit einer Regelung beschriebenen, aufweist*

3·) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen 2mm kontinuierlichen und geregelten Außer- Phase-BrIngen der Antriebsnocke gegenüber der Kurbelwelle dee Kompressors aus drei parallelen Wellen (23; 27; 30) bestehen, die durch Zahnräder mit gleichem Schraubengang (23; 26; 28; 29) verbunden sind, von denen die erste (23) direkt iron der Kompressorkurbelwelle (11) angetrieben 1st und die Hocke (10) auf aie dritte (30) aufgekeilt ist.

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4») Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dad auf die Zwischenwelle (27) ewei ähnliche Sohneckenräder (26; 28) zur Übertragung der Bewegung τοη der ersten Welle auf die dritte aufgekeilt sind, wobei diese Schnekkenräder (26; 28) Schraubenverzahnung mit entgegengesetztem Steigungssinn aufweisen.

5.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet» daß die Zwischenwelle (27) axial auf Gleitlagern verschiebbar gelagert ist, wobei die Führung durch ein Positionierungselement erfolgt, derart, daß das gewünschte Außer-Phase-Kommen zwischen Nooke und Kompressorkurbelwelle ausgeführt wird.

6.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in Anwendung auf einen Zweistufenkompreseor, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die die Schiebereleaante (2) der Ansaugventile (3) der Zylinder der ersten Stufe antreibenden Hockenwelle (30) und eine zweite, die Zylinder der zweiten Stufe antreibenden Nockenwelle (30) eine weitere Vorrichtung zum Außer-Phase-Bringen (27» 26i 28) zwischengeschaltet ist, derart, daß eine vorübergehende Regelung der Strömungsmenge der beiden Eompreesorstufen unabhängig voneinander möglich ist.

7«) Vorrichtung zur kontinuierlichen und geregelten Steuerung der durch Kolbenverdichter, insbesondere Hochdruckverdichter, angesaugten Strömung mittels Rückströmung duroh das Ansaugventil, im wesentlichen wie dargestellt und beschrieben·

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