JP2018087534A - ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異物を除去するためのフィルタを不要とすることができ、かつ異物に起因する運転の停止を防止することができるポンプ装置を提供する。【解決手段】ポンプ装置は、羽根車１の主板７からケーシングカバー５に向かって延び、ケーシングカバー５との間に隙間を形成する環状の隙間形成部１４と、ケーシングカバー５に形成され、すべり軸受２１，２２が配置された空間２３とポンプケーシング４の内部とを接続する流通孔２０とを備える。流通孔２０は、隙間形成部１４の半径方向内側に配置されており、隙間形成部１４およびケーシングカバー５は、隙間形成部１４とケーシングカバー５との間に形成された隙間を通じて、ポンプケーシング４内に吸い込まれた液体の一部を流通孔２０に導き、流通孔２０は、隙間を通過した液体を空間２３に導く。【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプ装置に関するものである。

ポンプ装置（例えば、遠心ポンプ装置）は、ポンプケーシング内に配置された羽根車が回転することによって液体を圧送する回転機械である。図６はポンプ装置を示す図である。図６に示すポンプ装置は、キャンとモータフレームとの間に形成された密閉空間内にモータステータが収容されたキャンドモータポンプである。図６に示すように、ポンプ装置は、ポンプＰと、このポンプＰを駆動するためのモータ部Ｍとから構成されている。ポンプＰは、羽根車１０１と、羽根車１０１が固定された回転軸１０２と、羽根車１０１を収容するポンプケーシング１０４とを備えている。

ポンプケーシング１０４の高圧側の開口部にはケーシングカバー１０５が固定されている。回転軸１０２はケーシングカバー１０５を貫通して延びており、羽根車１０１は回転軸１０２の先端に締結具１０６により固定されている。ケーシングカバー１０５には、ポンプケーシング１０４内の液体の一部をモータ部Ｍに導くための流通孔１０５ａが形成されている。羽根車１０１の回転によって昇圧された液体の一部は、この流通孔１０５ａを通ってモータ部Ｍに導かれる。

ポンプ装置は、回転軸１０２を回転させるモータ１１０と、モータ１１０を収容するモータフレーム１１２とを備えている。モータ１１０は、回転軸１０２に固定されたモータロータ１１５と、モータロータ１１５の周囲に配置されたモータステータ１１６とを備えている。回転軸１０２は、モータロータ１１５の両側に配置されたすべり軸受１２１，１２２によって回転可能に支持されている。

ポンプケーシング１０４内に吸い込まれた液体の一部は、流通孔１０５ａを通ってモータ部Ｍに導かれる。液体は、すべり軸受１２１と回転軸１０２との間の僅かな隙間を流れ、回転軸１０２およびすべり軸受１２１を冷却および潤滑する。液体はモータ１１０も冷却する。

モータ部Ｍに導かれた液体の一部は、モータロータ１１５とキャン１１８との間の僅かな隙間を通って、すべり軸受１２２が配置された空間に導かれる。液体は、すべり軸受１２２と回転軸１０２との間の僅かな隙間を流れ、回転軸１０２およびすべり軸受１２２を冷却および潤滑する。

特開平１１−３２４９７１号公報 特開２００３−１８４７８２号公報

図６に示すポンプ装置はその構造上、ポンプ装置の内部に導かれた液体でモータ１１０を冷却し、かつ、すべり軸受１２１，１２２を冷却および潤滑するように構成されている。しかしながら、液体中に異物が混入していると、異物がキャンドモータポンプの内部の隙間に詰まるおそれがある。例えば、流通孔１０５ａを通過した異物がモータロータ１１５とキャン１１８との間の隙間に詰まると、キャン１１８が破損するおそれがある。結果として、モータ１１０の絶縁性能の低下や液体の漏洩などの事故が発生するおそれがある。さらに、モータロータ１１５とキャン１１８との間に詰まった異物はモータロータ１１５の回転を阻害し、結果として、ポンプ装置が停止してしまうおそれがある。

異物を取り除くためのフィルタを有するキャンドモータポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、異物を除去するためのフィルタを設けることにより、フィルタの清掃など、フィルタのメンテナンスを定期的に行う必要がある。フィルタが目詰まりを起こした状態でフィルタのメンテナンスの実施を怠ると、モータ１１０が十分に冷却されず、モータ１１０が焼損するおそれがある。さらに、すべり軸受１２１，１２２が十分に潤滑されずに、すべり軸受１２１，１２２が摩耗したり、破損するおそれがある。

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、異物を除去するためのフィルタを不要とすることができ、かつ異物に起因する運転の停止を防止することができるポンプ装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、羽根車と、前記羽根車が固定された回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持するすべり軸受と、前記羽根車を収容するポンプケーシングと、前記ポンプケーシングの高圧側の開口部に固定されたケーシングカバーと、前記羽根車の主板から前記ケーシングカバーに向かって延び、前記ケーシングカバーとの間に隙間を形成する環状の隙間形成部と、前記ケーシングカバーに形成され、前記すべり軸受が配置された空間と前記ポンプケーシングの内部とを接続する流通孔とを備え、前記流通孔は、前記隙間形成部の半径方向内側に配置されており、前記隙間形成部および前記ケーシングカバーは、前記隙間形成部と前記ケーシングカバーとの間に形成された隙間を通じて、前記ポンプケーシング内に吸い込まれた液体の一部を前記流通孔に導き、前記流通孔は、前記隙間を通過した液体を前記空間に導くことを特徴とするポンプ装置である。

本発明の好ましい態様は、前記隙間形成部と前記ケーシングカバーとの間の隙間は、前記流通孔よりも小さいことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記すべり軸受は摺動性および耐摩耗性を有する材料から構成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記回転軸に固定されたモータロータと、前記モータロータの周囲に配置されたモータステータと、前記モータロータと前記モータステータとの間に配置された円筒状のキャンとをさらに備え、前記隙間形成部と前記ケーシングカバーとの間の隙間は、前記モータロータと前記キャンとの間の隙間よりも小さいことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記羽根車には、その軸方向に延びる貫通孔が形成されており、前記貫通孔は、前記隙間形成部の半径方向外側に配置されていることを特徴とする。

流通孔は隙間形成部の半径方向内側に配置されている。本発明によれば、液体中の異物は、隙間形成部の回転による遠心力により、羽根車の半径方向外側に飛ばされるので、隙間形成部の近傍に近づくことができない。したがって、ポンプ装置は、すべり軸受が配置された空間への異物の進入を防止することができる。結果として、ポンプ装置は、異物に起因する運転の停止を防止することができる。

ポンプ装置の一実施形態を示す図である。 図１の拡大断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 ポンプ装置内における液体の流れを示す図である。 ポンプ装置の他の実施形態を示す図である。 ポンプ装置を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下で説明する図面において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１はポンプ装置の一実施形態を示す図である。図１に示す実施形態のポンプ装置は、キャンとモータフレームとの間に形成された密閉空間内にモータステータが収容されたキャンドモータポンプである。図１に示すように、ポンプ装置は、ポンプＰと、このポンプＰを駆動するためのモータ部Ｍとから構成されている。ポンプＰは、羽根車１と、羽根車１が固定された回転軸２と、羽根車１を収容するポンプケーシング４とを備えている。

ポンプケーシング４の高圧側の開口部にはケーシングカバー５が固定されている。回転軸２はケーシングカバー５を貫通して延びており、羽根車１は回転軸２の先端に締結具６により固定されている。

羽根車１は、円板状の主板７と、主板７に固定された複数の翼８と、翼８の前面を覆う側板９とを備えている。図１では、１つの翼８のみが図示されている。複数の翼８は主板７の円周方向に沿って等間隔に配置されている。羽根車１は、その主板７からケーシングカバー５に向かって延び、ケーシングカバー５との間に隙間を形成する環状の隙間形成部１４をさらに備えている。隙間形成部１４は回転軸２と同心状に配置されている。

ケーシングカバー５には、すべり軸受２１，２２が配置された第１空間２３と羽根車１が配置された第２空間２４（すなわち、ポンプケーシング４の内部）とを接続する流通孔２０が形成されている。この流通孔２０は、隙間形成部１４の半径方向内側に配置されている。

ポンプ装置は、回転軸２を回転させるモータ１０と、回転軸２を回転可能に支持するすべり軸受２１，２２と、回転軸２、モータ１０、およびすべり軸受２１，２２を収容するモータフレーム１２とを備えている。モータ１０は、回転軸２に固定されたモータロータ１５と、モータロータ１５の周囲に配置されたモータステータ１６とを備えている。本実施形態では、モータロータ１５は回転軸２の中央部に固定されている。モータステータ１６は、ステータコア１６ａと、ステータコア１６ａに巻かれた複数のコイル１６ｂとを備えている。図１では１つのコイル１６ｂのみが図示されているが、複数のコイル１６ｂはモータロータ１５を囲むように配置されている。

回転軸２は、モータロータ１５の両側に配置されたすべり軸受２１，２２によって回転可能に支持されている。すべり軸受２１は、回転軸２のラジアル荷重を支持するラジアル軸受２１ａと、回転軸２（より具体的には、回転軸２に固定されたスラスト板２５）のスラスト荷重を支持するスラスト軸受２１ｂとから構成されている。同様に、すべり軸受２２は、ラジアル軸受２２ａと、スラスト軸受２２ｂとから構成されている。スラスト板２５，２５は、環状形状を有しており、モータロータ１５の両側の位置において回転軸２に固定されている。スラスト板２５，２５は回転軸２と一体に回転する。

モータロータ１５とモータステータ１６との間には、円筒状のキャン１８がモータロータ１５を取り囲むように配置されている。モータステータ１６は、モータフレーム１２とキャン１８との間に配置されている。モータステータ１６は、モータフレーム１２の内面およびキャン１８の外面に接触している。モータロータ１５、モータステータ１６、およびキャン１８は同心状に配置されている。モータステータ１６に隣接して、環状のフレーム側板１３が設けられている。フレーム側板１３の外面はモータフレーム１２に固定されており、フレーム側板１３の内面はキャン１８に固定されている。モータステータ１６は、モータフレーム１２、フレーム側板１３、およびキャン１８により形成されたステータ室１１内に配置されている。

ケーシングカバー５は、フレーム側板１３とポンプケーシング４との間に配置されている。ケーシングカバー５とポンプケーシング４との間、およびケーシングカバー５とフレーム側板１３との間には、環状のシール部材１７，１７がそれぞれ配置されている。これらシール部材１７，１７は、液体がこれら隙間を通ってポンプ装置の外部に流出することを防止している。ケーシングカバー５の反対側にはエンドカバー１９が配置されており、モータフレーム１２の端部側開口はエンドカバー１９によって閉じられている。

円筒状のラジアル軸受２１ａは回転軸２とケーシングカバー５との間に配置されており、回転軸２の外周面とラジアル軸受２１ａの内周面との間には僅かな隙間が形成されている。同様に、円筒状のラジアル軸受２２ａは回転軸２とエンドカバー１９との間に配置されており、回転軸２の外周面とラジアル軸受２２ａの内周面との間には僅かな隙間が形成されている。

環状のスラスト軸受２１ｂは、スラスト板２５とケーシングカバー５との間に配置されている。環状のスラスト軸受２２ｂは、スラスト板２５とエンドカバー１９との間に配置されている。

モータステータ１６のコイル１６ｂに電流を流すと、モータステータ１６に磁界が形成され、この磁界により、モータロータ１５が回転する。モータロータ１５の回転は回転軸２を通じて羽根車１を回転させる。羽根車１が回転軸２とともに回転すると、液体は吸込口４ａからポンプケーシング４内に吸い込まれ、羽根車１の回転により昇圧された後、吐出口４ｂから吐き出される。

ポンプケーシング４内に吸い込まれた液体の一部は、隙間形成部１４とケーシングカバー５との間の隙間および流通孔２０を通ってモータ部Ｍ、すなわち、すべり軸受２１，２２が配置された第１空間２３に導かれる。液体は、すべり軸受２１と回転軸２との間の僅かな隙間を流れ、回転軸２およびすべり軸受２１を冷却および潤滑する。液体はモータ１０も冷却する。

図２は図１の拡大断面図である。ケーシングカバー５は、フレーム側板１３とポンプケーシング４との間に配置された第１部位５ａと、第１部位５ａから羽根車１に向かって延びる第２部位５ｂと、第１部位５ａからスラスト軸受２１ｂに向かって延びる第３部位５ｃとから基本的に構成されている。これら部位５ａ，５ｂ，５ｃは、環状形状を有しており、一体的に構成されている。

シール部材１７は、第１部位５ａとフレーム側板１３との間および第１部位５ａとポンプケーシング４との間に配置されている。ラジアル軸受２１ａは、第２および第３部位５ｂ，５ｃと回転軸２の外周面との間に配置されている。スラスト軸受２１ｂは、第３部位５ｃとスラスト板２５との間に配置されている。

図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。図２および図３に示すように、隙間形成部１４の内周面１４ａとケーシングカバー５の第２部位５ｂの外周面４５との間には環状の隙間Ｇが形成されている。一実施形態では、隙間形成部１４の内周面１４ａに環状のライナーリング（図示しない）を装着して、このライナーリングとケーシングカバー５との間に隙間Ｇを形成してもよい。他の実施形態では、ケーシングカバー５の第２部位５ｂの外周面４５に環状のライナーリング（図示しない）を装着して隙間Ｇを形成してもよい。さらに他の実施形態では、内周面１４ａおよび外周面４５の両方に環状のライナーリングを装着して隙間Ｇを形成してもよい。

隙間Ｇは流通孔２０の外側に配置されている。言い換えれば、隙間Ｇは、羽根車１が回転したときの液体の第１空間２３への流れ方向において、流通孔２０の上流側に配置されている。したがって、隙間形成部１４およびケーシングカバー５は、隙間Ｇを通じて、ポンプケーシング４内に吸い込まれた液体の一部を流通孔２０に導き、流通孔２０は、隙間Ｇを通過した液体を第１空間２３に導く。

流通孔２０の一端は、ケーシングカバー５の第２部位５ｂの端面４６で開口しており、流通孔２０の他端は、ケーシングカバー５の第３部位５ｃの外周面４７で開口している。ただし、流通孔２０の他端は、ケーシングカバー５の第３部位５ｃの端面４８で開口してもよい。

本実施形態では、流通孔２０は、その途中で屈曲する１つの屈曲部を有しているが、流通孔２０の形状は本実施形態に限定されない。一実施形態では、流通孔２０は、複数の屈曲部を有してもよく、他の実施形態では、流通孔２０は屈曲部を有しておらず、直線状に延びてもよい。図３に示すように、本実施形態では、４つの流通孔２０がケーシングカバー５に形成されているが、流通孔２０の数は本実施形態に限定されない。ケーシングカバー５には、少なくとも１つの流通孔２０が形成されてもよい。本実施形態では、４つの流通孔２０はラジアル軸受２１ａの周方向に沿って等間隔に配置されている。

図４はポンプ装置内における液体の流れを示す図である。図４の矢印に示すように、ポンプケーシング４内に吸い込まれた液体の一部は、隙間形成部１４とケーシングカバー５との間の隙間Ｇおよび流通孔２０を通って第１空間２３に導かれる。隙間Ｇを通過した液体は、流通孔２０を流れるとともに、すべり軸受２１（すなわち、ラジアル軸受２１ａおよびスラスト軸受２１ｂ）と回転軸２との間の隙間、すべり軸受２１とケーシングカバー５との間の隙間、およびスラスト軸受２１ｂとスラスト板２５との間の隙間を流れる。

モータ部Ｍに導かれた液体は、モータロータ１５とキャン１８との間の隙間Ｈを通って、すべり軸受２２が配置された第１空間２３に導かれる。液体は、スラスト軸受２２ｂとエンドカバー１９との間の隙間、およびスラスト軸受２２ｂとスラスト板２５との間の隙間を流れ、さらに、すべり軸受２２（すなわち、ラジアル軸受２２ａおよびスラスト軸受２２ｂ）と回転軸２との間の隙間、およびラジアル軸受２２ａとエンドカバー１９との間の隙間を流れる。このようにして、液体は、回転軸２、すべり軸受２１，２２を冷却および潤滑し、さらに、モータ１０を冷却する。

回転軸２の内部には、その軸方向に貫通する軸通孔２ａが形成されており、軸通孔２ａは、回転軸２の両端において開口している。液体は、軸通孔２ａを通ってポンプケーシング４内に戻される。

ポンプＰによって移送される液体中には異物が混入していることがある。流通孔２０は羽根車１の隙間形成部１４の半径方向内側に設けられているため、液体中の異物は隙間形成部１４とケーシングカバー５との間に形成された隙間Ｇを経由しなければ流通孔２０に導入されない。ポンプ装置の運転により、羽根車１が回転すると、液体中の異物は、羽根車１（より具体的には、隙間形成部１４）の回転による遠心力により、羽根車１の半径方向外側に飛ばされるので、そもそも異物は隙間形成部１４の近傍に近づくことができない。したがって、本実施形態に係るポンプ装置は、第１空間２３への異物の進入を防止することができる。

隙間形成部１４とケーシングカバー５との間の隙間Ｇは、流通孔２０よりも小さく（隙間Ｇ＜流通孔２０）、モータロータ１５とキャン１８との間の隙間Ｈよりも小さい（隙間Ｇ＜隙間Ｈ）。隙間Ｇの大きさは、隙間Ｇの面積が流通孔２０の面積よりも小さくなるように、かつ隙間Ｇの面積が隙間Ｈの面積よりも小さくなるように決定される。

ポンプ装置は、液体中の異物が隙間Ｈ（および流通孔２０）に詰まることを防止することができる。つまり、流通孔２０は隙間Ｇの半径方向内側に配置されているため、ポンプケーシング４内に吸い込まれた液体の一部は、隙間Ｇを通った後に流通孔２０を通って第１空間２３に導かれる。本実施形態によれば、隙間Ｇは隙間Ｈおよび流通孔２０よりも小さいため、ポンプ装置の停止時または運転時において、万が一、異物が隙間Ｇを通過しても、異物は、流通孔２０および隙間Ｈに詰まることはなく、流通孔２０および隙間Ｈを確実に通過する。

このようにして、キャン１８は異物によって破損されず、さらに、モータロータ１５の回転は異物によって阻害されない。したがって、ポンプ装置は、異物に起因するモータ１０の絶縁性能の低下や液体の漏洩などの事故を確実に防止することができ、結果として、異物に起因する運転の停止を防止することができる。

本実施形態では、流通孔２０の大きさは隙間Ｈよりも大きい。しかしながら、流通孔２０の大きさは、隙間Ｈよりも小さくてもよく、または隙間Ｈと同じ大きさを有してもよい。

隙間形成部１４およびケーシングカバー５との間の隙間Ｇは、すべり軸受２１，２２と回転軸２との間の隙間よりも小さくてもよい。隙間Ｇは、すべり軸受２１，２２と回転軸２との間の隙間よりも大きくてもよく、またはすべり軸受２１，２２と回転軸２との間の隙間と同じ大きさを有してもよい。すべり軸受２１，２２と回転軸２との間の隙間に異物が進入しても、すべり軸受２１，２２は固着しないように構成されている。

さらに、本実施形態によれば、異物を除去するための特別な部材（例えば、フィルタ）を不要とすることができ、結果として、このような部材のメンテナンスも不要とすることができる。

流通孔２０は羽根車１の隙間形成部１４の半径方向内側に設けられているため、液体は隙間Ｇを通って第１空間２３内に導入される。ポンプ装置の初回運転時、すなわち、第１空間２３内に液体が存在していない状態でポンプ装置を運転した場合、液体は第１空間２３に直ぐに導入されず、しばらくの間、すべり軸受２１，２２は、ドライ状態（すなわち、すべり軸受２１，２２と回転軸２との間に液体が存在していない状態）で回転軸２を回転自在に支持する。したがって、本実施形態に係るすべり軸受２１，２２はドライ状態で回転軸２を支持することができるように構成されている。より具体的には、すべり軸受２１，２２は、摺動性および耐摩耗性を有する材料、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）から構成されている。

図５はポンプ装置の他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、上述した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図５に示すように、本実施形態では、羽根車１の主板７には、バランスホール５０が形成されている。バランスホール５０を設ける理由は次の通りである。ポンプ装置の運転中において、主板７には、ポンプケーシング４の吸込口４ａ側に向かってスラスト力が作用し、側板９には、ケーシングカバー５側に向かってスラスト力が作用する。主板７の形状と側板９の形状とは異なっており、主板７の受圧面積は側板９の受圧面積よりも大きいため、主板７に作用するスラスト力は側板９に作用するスラスト力よりも大きくなる。したがって、主板７に作用するスラスト力と側板９に作用するスラスト力とを釣り合わせるために、主板７にはバランスホール（貫通孔）５０が形成されている。

図５に示すように、バランスホール５０は隙間形成部１４の半径方向外側に位置している。本実施形態では、バランスホール５０は主板７に形成された孔であるが、バランスホール５０の形状は本実施形態に限定されない。一実施形態では、バランスホール５０は主板７に形成された切り欠きであってもよい。バランスホール５０の数および形状は移送される液体の圧力や羽根車１の大きさなどの要素に基づいて決定される。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 羽根車
２ 回転軸
４ ポンプケーシング
５ ケーシングカバー
５ａ 第１部位
５ｂ 第２部位
５ｃ 第３部位
６ 締結具
７ 主板
８ 翼
９ 側板
１０ モータ
１２ モータフレーム
１４ 隙間形成部
１５ モータロータ
１６ モータステータ
１８ キャン
１９ エンドカバー
２０ 流通孔
２１，２２ すべり軸受
２３ 第１空間
２４ 第２空間
４５ 外周面
４６ 端面
４７ 外周面
５０ バランスホール（貫通孔）

Claims (5)

1. 羽根車と、
   前記羽根車が固定された回転軸と、
   前記回転軸を回転可能に支持するすべり軸受と、
   前記羽根車を収容するポンプケーシングと、
   前記ポンプケーシングの高圧側の開口部に固定されたケーシングカバーと、
   前記羽根車の主板から前記ケーシングカバーに向かって延び、前記ケーシングカバーとの間に隙間を形成する環状の隙間形成部と、
   前記ケーシングカバーに形成され、前記すべり軸受が配置された空間と前記ポンプケーシングの内部とを接続する流通孔とを備え、
   前記流通孔は、前記隙間形成部の半径方向内側に配置されており、
   前記隙間形成部および前記ケーシングカバーは、前記隙間形成部と前記ケーシングカバーとの間に形成された隙間を通じて、前記ポンプケーシング内に吸い込まれた液体の一部を前記流通孔に導き、前記流通孔は、前記隙間を通過した液体を前記空間に導くことを特徴とするポンプ装置。
2. 前記隙間形成部と前記ケーシングカバーとの間の隙間は、前記流通孔よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
3. 前記すべり軸受は摺動性および耐摩耗性を有する材料から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
4. 前記回転軸に固定されたモータロータと、
   前記モータロータの周囲に配置されたモータステータと、
   前記モータロータと前記モータステータとの間に配置された円筒状のキャンとをさらに備え、
   前記隙間形成部と前記ケーシングカバーとの間の隙間は、前記モータロータと前記キャンとの間の隙間よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。
5. 前記羽根車には、その軸方向に延びる貫通孔が形成されており、前記貫通孔は、前記隙間形成部の半径方向外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。

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