JP2010106692A - スクロール型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】チップシールの熱膨張、樹脂の膨潤による、チップシールの浮上不良を抑えることができるようにした、スクロール型圧縮機を提供する。
【解決手段】可動側渦巻１９ａの固定スクロール２０との対向接触面と、固定側渦巻２０ａの可動スクロール１９との対向接触面とに、チップシール溝３０ｍを介して配置したチップシール３０を介在させてなる、スクロール型圧縮機１０において、渦巻中心である巻き始め先端側のチップシール溝３０ｍとチップシール３０との巾方向のクリアランスＣＬを、その他の部位のチップシール溝３０ｍとチップシール３０との巾方向のクリアランスＣＬに比較して拡張する構成とした。
【選択図】図２ｂ

Description

本発明は、スクロール型圧縮機のチップシール構造に関するものであり、空調用圧縮機等に使用して有効なスクロール型圧縮機に関するものである。

従来、スクロール型圧縮機のスクロール歯先先端には、スラスト方向のシール性向上のため、溝を介して樹脂性チップシール部材を介在させることが一般的に知られている。
金属製のスクロール部材に対して、熱膨張率の異なる樹脂性チップシールを用いる点及びスクロール型固有の外側より中心部の温度が高いという使用環境に鑑み、特許文献１では中心に向かって、チップシール巾方向のクリアランス(以下サイドクリアランスと呼ぶ)を漸次大きくする例が開示されている。
また特許文献２では巻方向のクリアランスを大きくとり、チップシールがその長手方向に伸びた際の破損を防止している。

特開平６−２３５３８６号公報 特開平８−４６７０号公報

また、近年のチップシールでは、素材である樹脂の中にカーボンファイバーやガラスファイバー等を添加することで、熱膨張率をより低く抑制するようにしてきている。

ここで、圧縮機の動作と、チップシールの熱膨張によるクリアランスへの影響を、図６において、一般的なスクロール部の形状であるインボリュート曲線を用いて説明する。
例えば基礎円は半径ｒ_０＝２ｍｍ、巻数２程度のスクロール部の最外周部を１ｍｍ程度回転させるとすると、角度にして２°程度回転することになる（２巻きの巻き終り角Θ＝８１０°とするとＲ＝ｒ_０・Θより最外周Ｒ＝２８．２６となり、ｔａｎα＝１／２８．２６よりα≒２°）。
この２°回転はうず巻半径ｒ_０・Θであることより回転する前のｒ_０・θに対し７０μｍ（２ｍｍ×２°×π／１８０）変化（半径増加）することとなる。

一方、熱膨張によるクリアランス変化は、巾１．５ｍｍのチップシールと鉄のスクロールの組み合わせで樹脂を鉄の３倍の熱膨張係数とし、１００℃の温度差としても、クリアランス変化は３μｍ程度となり、チップシールの回転の影響が大きいことがわかる。

そして、チップシールが回転すると全域で溝との干渉が発生するが、特に内周では図に示す様に、はりの長さが外周Ｌに対し内周Ｌ_０となりＬ≫Ｌ_０となる為、チップシールの剛性が上り、干渉した際にチップシールの剛性が高いため、くい込みによるチップシールの変形、浮上が生じ（以下、かつぎという）、シール性が損なわれるようになる。従ってチップシールは熱が加わらなくとも、溝の中で自由に動ける為、特に回転方向に動いた際には溝とチップシールの曲率がずれることにより、特に曲率の小さい中心側では腕の長さが短い影響により剛性が高く、溝の曲率に対し、チップシールがくい込むとチップシールの先端かつぎが生じ浮上不良を起こすこととなる。

より具体的には、図７に、巻終り外周端を基点となる様、溝ｍとチップシール１を設計した例を挙げることができる。ここでは、チップシール１の膨潤や熱膨張を加味し、巻き始め先端へ溝ｍが延長されている。
この状態でチップシール１は図中右方向へ回転可能となり、右方向へ回転すると溝ｍに対しチップシール１の曲率が増える点で接触する為、中心部外側でのチップシール１かつぎが発生する（図８参照）。

しかしながら、前述の特許文献１、２では、以上のような不都合を回避する手段を講じたものではない。
さらにチップシールの回転方向の動きに加えて、前述のように、熱膨張や樹脂へ高圧冷媒が浸透する膨潤などが加わることにより、よりチップシールの先端かつぎが生じ易くなる。
特に近年の地球温暖化防止対応のＣＯ_２冷媒では圧力が非常に高いため、樹脂の膨潤は大きく無視できないものとなっている。
本発明は、以上のような課題を改善するために提案されたものであって、スクロール部の巻き始め箇所、または巻き終り箇所におけるチップシール溝とチップシールとの間のクリアランスを考慮して、チップシールの熱膨張、樹脂の膨潤による、チップシールの浮上不良（かつぎ）を抑えることができるようにした、スクロール型圧縮機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、可動側渦巻（１９ａ）を有する可動スクロール（１９）と、この可動スクロール（１９）に対向配置して、可動側渦巻（１９ａ）が噛合う固定側渦巻（２０ａ）を有する固定スクロール（２０）とを備え、可動スクロール（１９）および固定スクロール（２０）にそれぞれ対向する、固定側渦巻（２０ａ）の先端面と可動側渦巻（１９ａ）の先端面とに、チップシール溝（３０ｍ）を介して配置したチップシール（３０）を介在させてなる、スクロール型圧縮機（１０）において、
チップシール（３０）の渦巻中心側における、チップシール溝（３０ｍ）とチップシール（３０）との巾方向のクリアランス（ＣＬ）が、他の部位のチップシール溝（３０ｍ）とチップシール（３０）との巾方向のクリアランス（ＣＬ）に比較して拡張された拡張部位が設けられていることを特徴とする。

これにより、チップシール（３０）が動いた際の、渦巻中心側におけるチップシール（３０）の浮上不良を防止することができる。

請求項２に記載の発明では、チップシール（３０）の渦巻中心側におけるチップシール溝（３０ｍ）とチップシール（３０）との巾方向のクリアランス（ＣＬ）の拡張範囲は、伸開角が９０°＞Ｂ≧Ａ、｛Ａ：チップシール（３０）の渦巻中心側の先端と、チップシール溝（３０ｍ）との隙間、Ｂ：クリアランス拡張範囲）｝となるようにすることを特徴とする。

これにより、渦巻中心側における巾方向のクリアランス（ＣＬ）の拡張範囲を、チップシール（３０）の渦巻中心側の先端と、チップシール溝（３０ｍ）との隙間（Ａ）相当とし、最大でも９０°未満としたことで、クリアランス増加による悪影響を抑えることができる。

請求項３に記載の発明では、チップシール（３０）の渦巻中心側の先端部位を、チップシール（３０）の渦巻中心側の先端と、チップシール溝（３０ｍ）との隙間（Ａ）と同等分、先端部位以外の部位より巾狭とすることを特徴とする。

これにより、チップシール（３０）が動いた際の、渦巻中心側におけるチップシール（３０）のかつぎを吸収することができる。

請求項４に記載の発明では、チップシール（３０）の渦巻中心側の先端部位におけるチップシール溝（３０ｍ）の溝巾を、チップシール（３０）の渦巻中心側の先端と、チップシール溝（３０ｍ）との隙間（Ａ）と同等分、先端部位以外のチップシール溝（３０ｍ）の溝巾より拡張してなることを特徴とする。

これにより、チップシール（３０）が動いても、チップシール（３０）の渦巻中心側の先端部位におけるチップシール溝（３０ｍ）の溝巾には余裕があり、チップシール（３０）の渦巻中心側の先端部位の浮上不良を防止することができる。

請求項５に記載の発明では、可動側渦巻（１９ａ）を有する可動スクロール（１９）と、この可動スクロール（１９）に対向配置して、可動側渦巻（１９ａ）が噛合う固定側渦巻（２０ａ）を有する固定スクロール（２０）とを備え、可動スクロール（１９）および固定スクロール（２０）にそれぞれ対向する、固定側渦巻（２０ａ）の先端面と可動側渦巻（１９ａ）の先端面とに、チップシール溝（３０ｍ）を介して配置したチップシール（３０）を介在させてなる、スクロール型圧縮機（１０）において、渦巻きの巻き終り終端側のチップシール溝（３０ｍ）とチップシール（３０）との巾方向のクリアランス（ＣＬ）を、その他の部位のチップシール溝（３０ｍ）とチップシール（３０）との巾方向のクリアランス（ＣＬ）に比較して拡張する構成としたことを特徴とする。

これにより、チップシール（３０）が動いても、チップシール（３０）の渦巻きの巻き終り部位とチップシール溝（３０ｍ）とのクリアランス（Ｃｌ）には余裕があり、チップシール（３０）の渦巻きの巻き終り終端側の浮上不良を防止することができる。

さらに、請求項６に記載の発明では、冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする。

これにより、圧力が比較的高い二酸化炭素冷媒を用いても、チップシール（３０）の膨潤による影響を、スクロール部の渦巻中心側の箇所、または渦巻きの巻き終り箇所におけるチップシール溝とチップシールとの間の巾方向のクリアランス拡張により、抑えることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

図１にスクロール型の圧縮機１０の一例を示す。この圧縮機１０では、スクロール型の圧縮機構部（後述）を構成する固定スクロールと可動スクロールの互いに噛合う歯先間に、詳細は後述するが、チップシール溝を介して、相似形状のチップシールを配している。

圧縮機１０は、冷媒として二酸化炭素を用いたもので、円筒状のハウジング１１内に、電動機部１２と圧縮機構部１３とを内蔵している。
ハウジング１１は両端面がそれぞれ端部壁１１ａ、１１ｂによって閉止され、端部壁１１ａには、冷媒回路から還流される冷媒をハウジング１１内に吸引する吸引管１４が設けられている。すなわち、この圧縮機１０は、後述する圧縮機構部１３を作動することで、ハウジング１１内を吸入圧力雰囲気となるようにして、吸引管１４を介してハウジング１１内に冷媒を取り込む構成である。

電動機部１２は、ハウジング１１の内壁に配設した固定子１２ａと、固定子１２ａにより取り囲まれたハウジング１１内空間を貫く中心軸に沿う回転主軸１５に取着した回転子１２ｂとを備えている。
回転主軸１５は、一端側を、端部壁１１ａ近傍の隔壁１６に設けた主軸受１７に、他端側をミドルハウジング１８を貫いて、ミドルハウジング１８を軸受として回動可能に支持されている。この回転主軸１５の他端側には、主軸に対して偏心させた偏心部１５ａを設けて、この偏心部１５ａに圧縮機構部１３を構成する可動スクロール１９を固定している。
そして、この可動スクロール１９に対向するように固定スクロール２０を配置している。

可動スクロール１９は、略円盤状のものであり、この可動スクロール１９は、端面から固定スクロール２０側に向かってインボリュート曲線状に立設した可動側渦巻１９ａと、可動側渦巻１９ａと反対側の端面からミドルハウジング１８側に向かって円筒状に立設したボス部１９ｂとを備え、このボス部１９ｂに回転主軸１５他端側の偏心部１５ａを密接嵌合させている。
一方、固定スクロール２０は、可動スクロール１９側の端面に設けられた渦巻状の溝によって形成された固定側渦巻２０ａを備えている。
そして、これら可動スクロール１９と固定スクロール２０とを、可動側渦巻１９ａと固定側渦巻２０ａとが噛合うように対向配置することで、作動室２１を形成している。

固定スクロール２０の最外周の外周縁部２０ｂによって形成された可動スクロール１９を収容する空間内において、可動スクロール１９の外縁部側の固定スクロール２０内側面と対向する空間には、可動スクロール１９の自転を防止する自転防止手段として、オルダムリング２２を介在している。これにより、可動スクロール１９は公転のみが許容されている。

以上のような構成により圧縮機構部１３は、可動側渦巻１９ａと固定側渦巻２０ａとの噛み合いによって形成される複数の作動室２１が、可動スクロール１９が固定スクロール２０に対して旋回することで体積を縮小することにより固定側渦巻２０ａの最外周側に連通する吸入室（図示省略）に供給された冷媒を圧縮する機能を有している。

さらに圧縮機構部１３における固定側渦巻２０ａの中心部には、固定スクロール２０を軸方向に貫通する吐出口２３が設けられている。
可動スクロール１９と固定スクロール２０とによって圧縮された冷媒はこの吐出口２３から逆流防止用の吐出弁２４を介して吐出室２５に吐出され、ハウジング１１外側に向けて貫通形成されている吐出管２６を通過して冷媒回路へと供給される構成である。

（第１実施形態）
以上のように構成される圧縮機１０において、圧縮機構部１３を構成する可動スクロール１９と固定スクロール２０とが互いに噛合う可動側渦巻１９ａおよび固定側渦巻２０ａの先端側は、それぞれ、スラスト方向に対向する固定スクロール２０、可動スクロール１９に、チップシール溝３０ｍを介して配した、相似形状のチップシール３０を介して摺動可能に当接している（図２ａ、図２ｂ参照）。

図２ｂでは、渦巻きの巻終り外周端を基点となる様、チップシール溝３０ｍとチップシール３０を設計した例を示している。その為、チップシール３０の膨潤や熱膨張を加味し、渦巻中心側である、巻き始め先端へチップシール溝３０ｍが、先端隙間Ａを形成するように延長され、且つ溝の形状を、先端Ｂの範囲（９０°未満）で拡張している。また、巻き始め先端側以外のチップシール溝３０ｍとチップシール３０との巾方向のクリアランスＣＬは、一定としている。
すなわち、巻き始め先端側のチップシール溝３０ｍとチップシール３０との巾方向のクリアランスＣＬの拡張範囲は、
伸開角が ９０°＞Ｂ≧Ａ
となるようにしている。
また、巻き始め先端側以外のチップシール溝３０ｍとチップシール３０との巾方向のクリアランスＣＬ＝ＣＬ１＋ＣＬ２とし、巻き始め先端側のチップシール溝３０ｍとチップシール３０との巾方向のクリアランスをＣＬ３＋ＣＬ４とすれば、
ＣＬ３＋ＣＬ４＞ＣＬ１＋ＣＬ２
となるようにしている。

上述の関係は、具体的には図３に示すように実施することができる。巾方向のクリアランスを変化させるために、ここでは、先端すき間Ｘと同等分チップシール３０を他部より巾狭とすることにより、かつぎを防止している。具体的には、外周部の巾方向のクリアランスＣＬａに対し中心部巾方向のクリアランスをＣＬａ＋Δｒと拡張し、中心部の巾方向のクリアランス拡張範囲は性能確保の観点から９０°未満としている。なお、望ましい中心部の巾方向のクリアランス拡張範囲は、先端すき間Ｘに相当する角度範囲である。
また、中心部以外の領域はＣＬ一定となっており、漏れ増加による性能低下を抑えている。

さらに、図４で詳細に説明するように、チップシール３０の回転を求める。先端隙間の長さＸ分が外周が回転したとし、最外周の半径をＲとすると、ｔａｎ（Θ０）＝Ｘ／Ｒよりチップシール３０全体の回転角Θ０をみつもることができる。
そしてこの回転角Θ０による中心部の半径増加量はΔｒ＝ｒ０・Θ０となり、このΔｒ分を先端の巾方向隙間へ加えることとしている。

巾方向のクリアランスの拡張範囲は先端隙間Ｘに相当する範囲がかつぎの対象となることより性能への影響を最低減とするため、正規のチップシール３０の位置よりＸ戻った点より巾方向のクリアランスを拡大している。
実際には外周でかつぎが生じるため、チップシール３０の先端ｒｘをチップシール３０の巾ｔとするとｒｘ＜ｔ／２の関係となっている。
なお、かつぎがより顕著な場合には、巾方向のクリアランス拡張範囲はＸ以上としても良いが性能への影響が懸念されるため９０°未満とすることが望ましい。
巾方向のクリアランス拡張範囲を９０°未満としたことは、通常のスクロール型では中心部はほぼ吐出圧力に到達しており、伸開角の９０°程度はチップシール３０のシール性能がそれほど問題にならないからである。

次に圧縮機１０の動作、作用について説明する。
圧縮機１０の電動機部１２を起動し、圧縮機構部１３を作動させるとハウジング１１内部は吸入圧力雰囲気となり、冷媒回路から還流される冷媒が、端部壁１１ａの吸引管１４を介してハウジング１１内に吸引され、ハウジング１１内から固定側渦巻１９ａの最外周側に連通する吸入室（図示省略）に供給される。
吸入された冷媒は、可動側渦巻１８ａと固定側渦巻１９ａの噛み合いによって形成される複数の作動室２１が、電動機部１２の回転主軸１５が回転することによって、可動スクロール１８が固定スクロール１９に対して旋回して、体積を縮小することにより固定側渦巻１９ａの最外周側に連通する吸入室（図示省略）に供給された冷媒を圧縮することができる。

可動スクロール１８と固定スクロール１９とによって圧縮された冷媒は、固定スクロール１９を軸方向に貫通する吐出口２３から吐出弁２４を介し、吐出室２５に吐出される。

そして吐出室２５から、冷媒は、ハウジング１１外側に向けて貫通形成されている吐出管２６を通過して冷媒回路へと供給される。

以上のような圧縮機１０の動作において、圧縮機構部１３は、可動側渦巻１８ａと固定側渦巻１９ａの噛み合いによって形成される複数の作動室２１が、電動機部１２の回転主軸１５が回転することによって、可動スクロール１８が固定スクロール１９に対して旋回して、体積を縮小することにより固定側渦巻１９ａの最外周側に連通する吸入室（図示省略）に供給された冷媒を圧縮するわけであるが、可動スクロール１８が固定スクロール１９に対して旋回することで、可動スクロール１９の可動側渦巻１９ａに伴い、チップシール３０は回転して、チップシール溝３０ｍに対しチップシール３０の曲率が増える点で接触する為、中心部外側でのチップシール３０のかつぎが発生しようとする。

しかしながら、渦巻中心である巻き始め先端側のチップシール溝３０ｍとチップシール３０との巾方向のクリアランスＣＬを、図３のように、先端すき間Ｘと同等分チップシール３０を他部より巾狭とすることにより、かつぎを防止することができる。すなわち、外周部の巾方向のクリアランスＣＬａに対し中心部巾方向のクリアランスをＣＬａ＋Δｒと拡張し、中心部の巾方向のクリアランス拡張範囲は性能確保の観点から９０°未満としているため、かつぎを吸収する一方、チップシール３０のシール性を損なうようなことはない。

（第２実施形態）
本発明にかかる圧縮機は、以下のように実施することもできる。
前述の第１実施形態では、チップシール３０先端を細くしたが、図５のようにチップシール３０でなくチップシール溝（３０ｍ）の巾を広げても良い。また上述とは異なり中心部を起点として溝とチップシール３０を設計した場合は、図示は省略するが、巻終り端に長手方向隙間を設けるため、かつぎ防止としては中心部内側のサイドクリアランスを広げるようにする。

以上、本発明によれば、スクロール型圧縮機のスクロール部の渦巻中心である巻き始め箇所、または巻き終り箇所におけるチップシール溝とチップシールとの間の巾方向のクリアランスを拡張したことで、チップシールの熱膨張、樹脂の膨潤による、チップシールの浮上不良（かつぎ）を抑えることができる。
しかも、チップシールの膨潤による影響を、スクロール部の巻き始め箇所、または巻き終り箇所におけるチップシール溝とチップシールとの間の巾方向のクリアランス拡張により、抑えることができるので、近年の地球温暖化防止対応として用いられる、圧力が非常に高いＣＯ_２冷媒を用いることができる。

本発明にかかる圧縮機の第１実施形態を示した、断面説明図である。 図１に示す圧縮機の圧縮機構部の部分的断面説明図である。 図２ａに示す圧縮機の圧縮機構部の、Ｄ−Ｄ線に沿って切断して見た、チップシール溝とチップシールの一形態を示した、断面説明図である。 渦巻中心である巻き始め先端側のチップシール溝とチップシールとの巾方向のクリアランスを変えるための具体的な一形態を示した、模式的な要部断面説明図である。 図３に示す一形態において、チップシールの位置と、巾方向のクリアランスとの関係を示したグラフである。 巻き始め先端側のチップシール溝とチップシールとの巾方向のクリアランスを変えるための具体的な別形態を示した、模式的な要部断面説明図である。 圧縮機構部の動作と、チップシールの熱膨張による巾方向のクリアランスへの影響を説明するための、一般的なスクロール部の形状を示した、インボリュート曲線線図である。 スクロール状に形成した溝に、相似形に配置したチップシールの一例を示す、模式図である。 圧縮機の動作時に発生する、チップシールのかつぎ状態の一例を示した、模式図である。

符号の説明

１０ 圧縮機
１１ ハウジング
１１ａ、１１ｂ 端部壁
１２ 電動機部
１２ａ 固定子
１２ｂ 回転子
１３ 圧縮機構部
１４ 吸引管
１５ 回転主軸
１５ａ 偏心部
１６ 隔壁
１７ 主軸受
１８ ミドルハウジング
１９ 可動スクロール
１９ａ 可動側渦巻
１９ｂ ボス部
２０ 固定スクロール
２０ａ 固定側渦巻
２０ｂ 外周縁部
２１ 作動室
２２ オルダムリング
２３ 吐出口
２４ 吐出弁
２５ 吐出室
２６ 吐出管
３０ チップシール
３０ｍ チップシール溝

Claims (6)

1. 可動側渦巻（１９ａ）を有する可動スクロール（１９）と、この可動スクロール（１９）に対向配置して、前記可動側渦巻（１９ａ）が噛合う固定側渦巻（２０ａ）を有する固定スクロール（２０）とを備え、前記可動スクロール（１９）および前記固定スクロール（２０）にそれぞれ対向する、前記固定側渦巻（２０ａ）の先端面と前記可動側渦巻（１９ａ）の先端面とに、チップシール溝（３０ｍ）を介して配置したチップシール（３０）を介在させてなる、スクロール型圧縮機（１０）において、
   前記チップシール（３０）の渦巻中心側における、前記チップシール溝（３０ｍ）と前記チップシール（３０）との巾方向のクリアランス（ＣＬ）が、他の部位の前記チップシール溝（３０ｍ）と前記チップシール（３０）との巾方向のクリアランス（ＣＬ）に比較して拡張された拡張部位が設けられていることを特徴とするスクロール型圧縮機。
2. 前記チップシール（３０）の渦巻中心側における前記チップシール溝（３０ｍ）と前記チップシール（３０）との巾方向のクリアランス（ＣＬ）の拡張範囲は、
   伸開角が９０°＞Ｂ≧Ａ、｛Ａ：チップシール（３０）の渦巻中心側の先端と、チップシール溝（３０ｍ）との隙間、Ｂ：クリアランス拡張範囲）｝
   となるようにすることを特徴とする請求項１に記載のスクロール型圧縮機。
3. 前記チップシール（３０）の渦巻中心側の先端部位を、前記チップシール（３０）の前記渦巻中心側の先端と、前記チップシール溝（３０ｍ）との隙間（Ａ）と同等分、前記先端部位以外の部位より巾狭とすることを特徴とする請求項２に記載のスクロール型圧縮機。
4. 前記チップシール（３０）の渦巻中心側の先端部位における前記チップシール溝（３０ｍ）の溝巾を、前記チップシール（３０）の渦巻中心側の先端と、前記チップシール溝（３０ｍ）との隙間（Ａ）と同等分、前記先端部位以外の前記チップシール溝（３０ｍ）の溝巾より拡張してなることを特徴とする請求項２に記載のスクロール型圧縮機。
5. 可動側渦巻（１９ａ）を有する可動スクロール（１９）と、この可動スクロール（１９）に対向配置して、前記可動側渦巻（１９ａ）が噛合う固定側渦巻（２０ａ）を有する固定スクロール（２０）とを備え、前記可動スクロール（１９）および前記固定スクロール（２０）にそれぞれ対向する、前記固定側渦巻（２０ａ）の先端面と前記可動側渦巻（１９ａ）の先端面とに、チップシール溝（３０ｍ）を介して配置したチップシール（３０）を介在させてなる、スクロール型圧縮機（１０）において、
   渦巻きの巻き終り終端側の前記チップシール溝（３０ｍ）と前記チップシール（３０）との巾方向のクリアランス（ＣＬ）を、その他の部位の前記チップシール溝（３０ｍ）と前記チップシール（３０）との巾方向のクリアランス（ＣＬ）に比較して拡張する構成としたことを特徴とするスクロール型圧縮機。
6. 冷媒として二酸化炭素を用いることを特徴とする請求項１ないし５に記載のうち、いずれか１つに記載のスクロール型圧縮機。

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