JP2010223384A - 可逆式電動弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】ねじ送り機構の推力を増大させることができるとともに、ばね荷重の大きな閉弁ばねを用いることのできる可逆式電動弁を提供する。
【解決手段】弁本体20にその下端部が固定されるとともに、弁軸25が摺動自在に内挿された筒状のガイド部材26の外周に形成された固定ねじ部28と、ロータ30に一体に連結されて弁軸25及びガイド部材26の外周に配在された下方開口の筒状の弁軸ホルダ32の内周に形成された移動ねじ部38とからなるねじ送り機構を備え、弁軸ホルダ32の上側に、弁体24を弁座22に押し付ける方向に付勢する圧縮コイルばねからなる閉弁ばね61を配備する。より好ましくは、前記閉弁ばね61の外径Cb及び前記固定ねじ部28、移動ねじ部38からなる送りねじの呼び径Dbを、該送りねじのピッチをPbとして、下記の関係式(1)を満足するように設定する。Cb>Db−1.083×Pb・・・・(1)
【選択図】図1

Description

本発明は、空気調和機、給湯システム等に組み込まれて使用される電動弁に係り、特に、流体(冷媒)を一方向だけでなく逆方向に流すことも可能な可逆式電動弁に関する。
空気調和機等に組み込まれる電動弁の従来例を図5に示す。図示の電動弁1’は、下部大径部25aと上部小径部25bを有し、前記下部大径部25aの下端部に弁体24が一体に設けられた弁軸25と、前記弁体24が接離する弁座22が設けられるとともに、この弁座22に形成された弁口22aを介して冷媒が導入される弁室21を有する弁本体20と、この弁本体20にその下端部が密封接合されたキャン40と、このキャン40の内周に所定の間隙αをあけて配在されたロータ30と、このロータ30を回転駆動すべく前記キャン40に外嵌されたステータ50と、前記ロータ50と前記弁体24との間に配在され、前記ロータ50の回転を利用して前記弁体24を前記弁座22に接離させるねじ送り機構とを備え、前記弁座22に対する弁体24のリフト量を変化させることにより冷媒の通過流量を制御する。
前記ステータ50は、ヨーク51、ボビン52、ステータコイル53,53、及び樹脂モールドカバー56等で構成され、前記ロータ30やステータ50等でステッピングモータが構成される。
前記ロータ30には、支持リング36が一体的に結合されるとともに、この支持リング36に、前記弁軸25及びガイドブッシュ26の外周に配在された下方開口で筒状の弁軸ホルダ32の上部突部がかしめ固定され、これにより、ロータ30、支持リング36及び弁軸ホルダ32が一体的に連結されている。
前記ねじ送り機構は、弁本体20にその下端部26aが圧入固定されるとともに、弁軸25(の下部大径部25a)が摺動自在に内挿された筒状のガイドブッシュ26の外周に形成された固定ねじ部(雄ねじ部)28と、前記弁軸ホルダ32の内周に形成されて前記固定ねじ部28に螺合せしめられた移動ねじ部(雌ねじ部)38とから構成されている。ここでは、固定ねじ部28と移動ねじ部38(送りねじ)の呼び径はDa、ピッチはPaとする。
また、前記ガイドブッシュ26の上部小径部26bが弁軸ホルダ32の上部に内挿されるとともに、弁軸ホルダ32の天井部32aの中央(に形成された通し穴)に弁軸25の上部小径部25bが挿通せしめられている。弁軸25の上部小径部25bの上端部にはプッシュナット33が圧入固定されている。
また、前記弁軸25は、該弁軸25の上部小径部25bに外挿され、かつ、弁軸ホルダ32の天井部32aと弁軸25における下部大径部25aの上端段丘面との間に縮装された外径Caの圧縮コイルばねからなる閉弁ばね34によって、常時下方(閉弁方向)に付勢されている。
弁軸ホルダ32の天井部32a上でプッシュナット33の外周には、コイルばねからなる復帰ばね35が設けられている。この復帰ばね35は、実質的に全開状態となった後もロータ30と共に弁軸ホルダ32がさらに回転しながら上昇せしめられた際、キャン40の天井部40aの内面に圧接して弁軸ホルダ32を下方に付勢するようになっており、これにより、ガイドブッシュ26の固定ねじ部28と弁軸ホルダ32の移動ねじ部38との螺合が外れた(所謂ねじ抜けした)場合に、ロータ30を逆回転(下降)させることで、再び固定ねじ部28と移動ねじ部38との螺合を復帰させるように働く。
ガイドブッシュ26には、前記ロータ30が所定の閉弁位置まで回転下降せしめられた際、それ以上の回転下降を阻止するための回転下降ストッパ機構の一方を構成する下ストッパ体(固定ストッパ)27が固着され、弁軸ホルダ32には前記ストッパ機構の他方を構成する上ストッパ体(移動ストッパ)37が固着されている。
なお、前記閉弁ばね34は、弁体24が弁座22に着座する閉弁状態において所要のシール圧を得るため(弁洩れ防止)、及び、弁体24が弁座22に衝接した際の衝撃を緩和するために配備されている。
このように構成された電動弁1’にあっては、ステータコイル53,53に第1の態様で通電励磁パルスを供給することにより、弁本体20に固定されたガイドブッシュ26に対し、ロータ30及び弁軸ホルダ32が一方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ26の固定ねじ部28と弁軸ホルダ32の移動ねじ部38とのねじ送りにより、例えば弁軸ホルダ32が下方に移動して弁体24が弁座22に押し付けられて弁口22aが閉じられる(全閉状態)。
弁口22aが閉じられた時点では、上ストッパ体37は未だ下ストッパ体27に衝接しておらず、弁体24が弁口22aを閉じたままロータ30及び弁軸ホルダ32はさらに回転下降する。この場合、弁軸25(弁体24)は下降しないが、弁軸ホルダ32は下降するため、閉弁ばね34が所定量圧縮せしめられ、その結果、弁体24が弁座22に強く押し付けられるとともに、弁軸ホルダ32の回転下降により、上ストッパ体37が下ストッパ体27に衝接し、その後ステータコイル53,53に対するパルス供給が続行されても弁軸ホルダ32の回転下降は強制的に停止される。
一方、ステータコイル53,53に第2の態様で通電励磁パルスを供給すると、弁本体20に固定されたガイドブッシュ26に対し、ロータ30及び弁軸ホルダ32が前記と逆方向に回転せしめられ、ガイドブッシュ26の固定ねじ部28と弁軸ホルダ32の移動ねじ部38とのねじ送りにより、今度は弁軸ホルダ32が上方に移動する。この場合、弁軸ホルダ32の回転上昇開始時点(パルス供給開始時点)では、閉弁ばね34が前記のように所定量圧縮せしめられているので、閉弁ばね34が前記所定量分伸長するまでは、前記弁体24が弁座22からは離れず閉弁状態(リフト量=0)のままである。そして、閉弁ばね34が前記所定量分伸長した後、弁軸ホルダ32がさらに回転上昇せしめられると、前記弁体24が弁座22から離れて弁口22aが開かれ、冷媒が弁口22aを通過する。この場合、ロータ30の回転量により弁口22aの実効開口面積、すなわち冷媒の通過流量を調整することができ、ロータ30の回転量は供給パルス数により制御されるため、冷媒通過流量を高精度に制御することができる(詳細は、下記特許文献1等を参照)。
特開2001−50415号公報
前記した電動弁1’は、通常、冷媒を一方向(導管61→弁室21→弁口22a→導管62)にのみ流すことを前提として設計されているが、それに対し、冷媒を一方向だけでなく逆方向(導管62→弁口22a→弁室21→導管61)に流すことも可能とする可逆式の電動弁が考えられている。この可逆式電動弁では、次のような解決すべき課題があった。
すなわち、可逆式電動弁では、冷媒が逆方向に流されるときには、弁口22aの上側(下流側)より下側(上流側)の方が冷媒圧力が高いので、閉弁ばね34の付勢力に抗して弁体24(弁軸25)を開弁方向に押し上げるような力が加わる。このため、前記従来例で使用されている外径Caの閉弁ばね34では、ばね荷重が足りず、弁体24が不所望に開弁方向に押し上げられて弁洩れ等の不具合を生じるおそれがある。かかる不具合は、弁口上下の差圧が大きい(高差圧の可逆式電動弁)ほど生じやすく、これを回避するには、ばね荷重の大きな、端的に言えば、外径の大きな閉弁ばねを使用することが要求される。
一方、近年においては、冷媒の流通量を多くできる弁口が大口径の可逆式電動弁が要望されている。これに応えるためには、ねじ送り機構の推力を増大させることが要求される。ねじ送り機構の推力を増大させるには、それを構成する固定ねじ部28と移動ねじ部38(送りねじ28、38と称す)の呼び径(Da)を小さくすればよいが、送りねじ28、38の呼び径を小さくするには、弁軸ホルダ32(ガイドブッシュ26)の内径も小さくする必要が生じ、その内周側に所要のばね荷重を持つ(外径の大きな)閉弁ばねを配在するスペースが無くなってしまう。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ねじ送り機構の推力を増大させることができるとともに、ばね荷重の大きな閉弁ばねを用いることができるという相反する条件を満足する可逆式電動弁を提供することにある。
前記の目的を達成すべく、本発明に係る電動弁は、基本的には、下端部に弁体が設けられた弁軸と、前記弁体が接離する弁座が設けられるとともに、前記弁座に形成された弁口を介して流体が導入される弁室を有する弁本体と、該弁本体にその下端部が密封接合されたキャンと、該キャンの内周に所定の間隙をあけて配在されたロータと、該ロータを回転駆動すべく前記キャンに外嵌されたステータと、前記ロータと前記弁体との間に配在され、前記ロータの回転を利用して前記弁体を前記弁座に接離させるねじ送り機構とを備え、前記ねじ送り機構は、前記弁本体にその下端部が固定されるとともに、前記弁軸が摺動自在に内挿された筒状のガイド部材の外周に形成された固定ねじ部と、前記ロータに一体に連結されて前記弁軸及びガイド部材の外周に配在された下方開口の筒状の弁軸ホルダの内周に形成された移動ねじ部とからなり、前記弁軸ホルダの上側に、前記弁体を前記弁座に押し付ける方向に付勢する圧縮コイルばねからなる閉弁ばねが配備されていることを特徴としている。
前記閉弁ばねは、好ましくは、前記弁軸の上部に設けられた下側ばね受け部と前記弁軸ホルダに連結固定された上側ばね受け部との間に縮装される。
前記閉弁ばねは、好ましくは、前記弁軸の上端に実質的に点接触若しくは小さな面接触の状態で乗せられた断面概略ハット形の下側ばね受け体と前記弁軸ホルダに連結固定された上側ばね受け部との間に縮装される。
他の好ましい態様では、前記弁軸ホルダが回転上昇せしめられるとき、前記固定ねじ部と移動ねじ部の螺合状態が解かれる前に、前記キャンの天井部に接当して前記弁軸ホルダの回転上昇を停止させるための全開ストッパを備える。
前記全開ストッパは、好ましくは、前記閉弁ばねの上端を受け止めるとともに、前記上側ばね受け部に抜け止め係止される副ばね受け部と、該副ばね受け部から前記上側ばね受け部よりも上方に突出する突出部とを有する凸状可動部材で構成される。
前記全開ストッパは、好ましくは、前記上側ばね受け部に突設された上向き突起で構成される。
また、より好ましい態様では、前記閉弁ばねの外径Cb及び前記固定ねじ部と移動ねじ部とからなる送りねじの呼び径Dbは、該送りねじのピッチをPbとすれば、下記の関係式(1)を満足するように設定される。
Cb>Db−1.083×Pb・・・・(1)
本発明に係る可逆式電動弁では、閉弁ばねが従来例のように弁軸ホルダ(ガイドブッシュ)内ではなく、弁軸ホルダの上側(例えば、弁軸の上部に設けられた下側ばね受け部と弁軸ホルダに連結固定された上側ばね受け部との間)に配備されるので、従来例のように外径が厳しく制限されることはなく、そのため、閉弁ばねとして、ばね荷重の大きな(外径の大きな)圧縮コイルばねを採用することが可能となる。
したがって、本発明によれば、ねじ送り機構の推力を増大させるために送りねじの呼び径を小さくした場合でも、ばね荷重の大きな閉弁ばねを用いることができ、そのため、高差圧大口径であっても、弁洩れ等の不具合が生じにくい信頼性の高い可逆式電動弁を提供することが可能となる。
なお、弁本体内やキャンの下部(弁ホルダの下側等)に閉弁ばねを配在することも考えられるが、この場合は、閉弁ばねが流体(流動)の影響を受けやすく、振動・異音の発生源となるおそれがある。それに対し、本発明の可逆式電動弁では、流体(流動)の影響が比較的少ない弁軸ホルダの上側(キャンの上部)に閉弁ばねを配備するので、振動・異音の発生を心配する必要はない。
本発明に係る可逆式電動弁の第1実施例を示す縦断面図。 本発明に係る可逆式電動弁の第2実施例を示す縦断面図。 本発明に係る可逆式電動弁の第3実施例を示す縦断面図。 本発明に係る可逆式電動弁の第4実施例を示す縦断面図。 従来の電動弁の一例を示す縦断面図。
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図1〜図4は、本発明に係る電動弁の一実施形態(第1〜第4実施例)の縦断面図である。なお、図1〜図4に示される第1〜第4実施例の可逆式電動弁1〜4の基本構成は、前述した図5に示される従来例の電動弁1’と略同じであるので、各実施例については、前述した図5に示される従来例の電動弁1’の各部に対応する部分には同一の符号を付して重複説明を省略し、以下は、相異点(特徴部分)を重点的に説明する。
また、図1〜図4に示される第1〜第4実施例の電動弁1〜4では、高差圧大口径に対応させるため、ねじ送り機構の推力を増大させるべく、送りねじ(固定ねじ部28、移動ねじ部38)の呼び径Dbが従来例の呼び径Daよりも小さくされている。そのため、従来例のように弁軸ホルダ32(ガイドブッシュ26)内にばね荷重の大きな閉弁ばねを配在するスペースが無くなっている。そこで、各実施例では、閉弁ばね61〜64を弁軸ホルダ32の上側に配在している。以下、各実施例を詳細に説明する。
図1に示される第1実施例の可逆式電動弁1では、第1弁軸25の上部25bに、従来例のスリーブ状のプッシュナット33に代えて、円筒状の嵌合圧入固定部73a、鍔状下側ばね受け部73b、及び上部円筒部73cからなるプッシュナット73が圧入固定されている。また、従来例の円環状の支持リング36に代えて、段付き円環状部76aと上側に突出する円筒状部76bとからなる連結支持体76が用いられている。この連結支持体76の円筒状部76bの上端に半断面逆L形の円環状の上側ばね受け部材77が圧入固定されており、この上側ばね受け部材77と前記プッシュナット73の鍔状下側ばね受け部73bとの間に、従来例の閉弁ばね34の外径Caよりも大きな外径Cbを持つ閉弁ばね61が縮装されている。
より詳細には、前記閉弁ばね61の外径Cb及び前記固定ねじ部28と移動ねじ部38とからなる送りねじの呼び径Dbは、該送りねじのピッチをPbとすれば、下記の関係式(1)を満足するように設定されている。
Cb>Db−1.083×Pb ・・・・(1)
また、プッシュナット73の嵌合圧入固定部73a上で上部円筒部73cの内周側には、復帰ばね35が乗せられており、この復帰ばね35の概略上半分は、上側ばね受け部材77の中央通し穴77aを介して上方に突出せしめられている(復帰ばね35の機能は、従来例の説明を参照)。
このような構成とされた本第1実施例の可逆式電動弁1では、閉弁ばね61が従来例のように弁軸ホルダ32(ガイドブッシュ26)内ではなく、弁軸ホルダ32の上側(弁軸25の上部に設けられた下側ばね受け部73bと弁軸ホルダ32に連結固定された上側ばね受け部材77との間)に配備されるので、従来例のように外径が厳しく制限されることはなく、そのため、閉弁ばねとして、ばね荷重の大きな(外径の大きな)圧縮コイルばねを採用することが可能となる。
したがって、ねじ送り機構の推力を増大させるために送りねじ28、38の呼び径を小さくした場合でも、ばね荷重の大きな閉弁ばねを用いることができ、そのため、高差圧大口径であっても、弁洩れ等の不具合が生じにくくなり、信頼性の高い可逆式電動弁を提供することが可能となる。
なお、弁本体20内やキャン40の下部(弁ホルダ32の下側等)に閉弁ばねを配在することも考えられるが、この場合は、閉弁ばねが冷媒(流動)の影響を受けやすく、振動・異音の発生源となるおそれがある。それに対し、本実施形態の可逆式電動弁1では、閉弁ばね61が冷媒(流動)の影響が比較的少ない弁軸ホルダ32の上側(キャン40の上部)で、かつ、弁軸ホルダ32、円筒状の連結支持体76、上側ばね受け部材77、及びプッシュナット73等で囲まれた略閉鎖された空間内に配備されているので、振動・異音の発生を心配する必要はない。
図2に示される第2実施例の可逆式電動弁2では、支持リング36上に半断面L形の円筒状連結体75が載置されるとともに、その底辺部75aが弁軸ホルダ32の上部突部で支持リング36と共にかしめ固定(共締め)され、円筒状連結体75の円筒状部75bの上端に半断面が横倒しL形の上側ばね受け部78が溶接等で固着されている。
また、弁軸25の上端部には断面概略ハット形の下側ばね受け体74が被せられている。詳しくは、弁軸25の上端は半球状に形成されており、この半球状上端面25tに下側ばね受け体74における天底の球面凹部74aが実質的に点接若しくは小さな面接触の触状態で乗せられており、この下側ばね受け体74における鍔状下側ばね受け部74cと前記上側ばね受け部78との間に、第1実施例と同様に外径(Cb)の大きな閉弁ばね62が縮装されている。
このような構成とされた本第2実施例の可逆式電動弁2においても、第1実施例のものと略同様な作用効果が得られることに加えて、次のような利点が得られる。
すなわち、一般に、ばね荷重の大きな閉弁ばねを用いると、閉弁ばねの付勢力を受ける摺動面(上下端面)の摩擦抵抗が大きくなり、弁軸ホルダ32等の回転昇降動作に悪影響を及ぼす。従来例のように、摺動面にワッシャ39類等を噛まして摩擦抵抗を減じるようにしても、摺動面が面接触となるので、ばね荷重の大きな閉弁ばね62を採用した場合には、摩擦抵抗の低減効果が不充分であったが、本第2実施形態のように、閉弁ばね62の下端を、弁軸25の半球状上端面25tに実質的に点接触状態で乗せられた断面概略ハット形の下側ばね受け体74で受け止めるようにすることにより、摩擦抵抗の増大を効果的に抑えることができる。
図3、図4に示される第3、第4実施例の可逆式電動弁3、4では、ロータ30・弁軸ホルダ32が回転上昇せしめられるとき、固定ねじ部28と移動ねじ部38の螺合状態が解かれる(所謂ねじ抜けする)前に、キャン40の天井部40aに接当して弁軸ホルダ32の回転上昇を停止させるための全開ストッパ81、82を備えている(復帰ばね35は存在しない)。
詳細には、図に示される第3実施例の可逆式電動弁3では、閉弁ばね63の上端を受け止めるとともに、前記上側ばね受け部77に抜け止め係止される副ばね受け部81aと、この副ばね受け部81aから上側ばね受け部77よりも上方に突出する上端面が半球状の突出部81bとを有する凸状可動部材からなる全開ストッパ81が配備されている。
ここで、従来例の電動弁1’では、ロータ30・弁軸ホルダ32が回転上昇し続けて、ある位置(全開状態になった位置より上側)に達すると、ねじ抜けするようになっているが、実施例の可逆式電動弁1〜4のように、高差圧大口径に対応すべく、送りねじ28、38の呼び径が小さくされている場合には、ねじの面圧が高くなるので、ねじ抜けするような構成にすると、ねじが破損したり、逆回転しても再螺合せずにロックするおそれがある。
本第3実施例のように、凸状可動部材からなる全開ストッパ81を設けた場合には、ロータ30・弁軸ホルダ32が回転上昇せしめられるとき、固定ねじ部28と移動ねじ部38の螺合状態が解かれる(ねじ抜けする)前に、全開ストッパ81の上端がキャン40の天井部40aに接当して、閉弁ばね63がさらに圧縮されてばね荷重が増大し、このばね荷重の増大により、ロータ30・弁軸ホルダ32の回転上昇が止まるようにされる。このようにされることにより、ねじ抜けせず、かつ、ねじの破損やロックしてしまう事態を招くことがないようにできる。
一方、図4に示される第4実施例の可逆式電動弁4では、上側ばね受け部77’の外周部に突設された先端が尖った上向き突起で構成される全開ストッパ82が設けられている。
本第4実施例のように上向き突起で構成される全開ストッパ82を設けた場合には、該全開ストッパ82がキャン40の天井部40aの内側面に接当することにより、ロータ30・弁軸ホルダ32の回転上昇が止まるようにされ、このような構成でも、第3実施例と同様に、ねじ抜けせず、かつ、ねじの破損やロックしてしまう事態を招くことがないようにできる。
1、2、3、4 可逆式電動弁
20 弁本体
21 弁室
22 弁座
22a 弁口
24 弁体
25 弁軸
28 固定ねじ部(雄ねじ部)
26 ガイドブッシュ
27 下ストッパ
30 ロータ
32 弁軸ホルダ
33 プッシュナット
35 復帰ばね
37 上ストッパ体
38 移動ねじ部(雌ねじ部)
40 キャン
50 ステータ
61、62、63、64 閉弁ばね
73b 鍔状下側ばね受け部
74 下側ばね受け体
77、78 上側ばね受け部
81、82 全開ストッパ

Claims (7)

  1. 下端部に弁体が設けられた弁軸と、前記弁体が接離する弁座が設けられるとともに、前記弁座に形成された弁口を介して流体が導入される弁室を有する弁本体と、該弁本体にその下端部が密封接合されたキャンと、該キャンの内周に所定の間隙をあけて配在されたロータと、該ロータを回転駆動すべく前記キャンに外嵌されたステータと、前記ロータと前記弁体との間に配在され、前記ロータの回転を利用して前記弁体を前記弁座に接離させるねじ送り機構とを備えた電動弁であって、
    前記ねじ送り機構は、前記弁本体にその下端部が固定されるとともに、前記弁軸が摺動自在に内挿された筒状のガイド部材の外周に形成された固定ねじ部と、前記ロータに一体に連結されて前記弁軸及びガイド部材の外周に配在された下方開口の筒状の弁軸ホルダの内周に形成された移動ねじ部とからなり、
    前記弁軸ホルダの上側に、前記弁体を前記弁座に押し付ける方向に付勢する圧縮コイルばねからなる閉弁ばねが配備されていることを特徴とする可逆式電動弁。
  2. 前記閉弁ばねは、前記弁軸の上部に設けられた下側ばね受け部と前記弁軸ホルダに連結固定された上側ばね受け部との間に縮装されていることを特徴とする請求項1に記載の可逆式電動弁。
  3. 前記閉弁ばねは、前記弁軸の上端に実質的に点接触若しくは面接触の状態で乗せられた断面概略ハット形の下側ばね受け体と前記弁軸ホルダに連結固定された上側ばね受け部との間に縮装されていることを特徴とする請求項1に記載の可逆式電動弁。
  4. 前記弁軸ホルダが回転上昇せしめられるとき、前記固定ねじ部と移動ねじ部の螺合状態が解かれる前に、前記キャンの天井部に接当して前記弁軸ホルダの回転上昇を停止させるための全開ストッパを備えていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の可逆式電動弁。
  5. 前記全開ストッパは、前記閉弁ばねの上端を受け止めるとともに、前記上側ばね受け部に抜け止め係止される副ばね受け部と、該副ばね受け部から前記上側ばね受け部よりも上方に突出する突出部とを有する凸状可動部材で構成されていることを特徴とする請求項4に記載の可逆式電動弁。
  6. 前記全開ストッパは、前記上側ばね受け部に突設された上向き突起で構成されていることを特徴とする請求項4に記載の可逆式電動弁。
  7. 前記閉弁ばねの外径Cb及び前記固定ねじ部と移動ねじ部とからなる送りねじの呼び径Dbは、該送りねじのピッチをPbとすれば、下記の関係式(1)を満足するように設定されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の可逆式電動弁。
    Cb>Db−1.083×Pb・・・・(1)
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